Kính viễn vọng Webb 'cân' hố đen quái vật ngủ yên nặng 6 tỷ Mặt Trời từ thuở bình minh vũ trụ

Giải pháp chính là thấu kính hấp dẫn. Một cụm thiên hà khổng lồ ở tiền cảnh nằm gần như thẳng hàng hoàn hảo giữa Trái Đất và MRG-M0138. Lực hấp dẫn khủng khiếp của cụm thiên hà này bẻ cong chính cấu trúc không-thời gian, làm lệch đường đi của ánh sáng từ thiên hà nền khi nó truyền đến chúng ta, hoạt động như một chiếc kính thiên văn vũ trụ tự nhiên. Sự sắp đặt này đã phóng đại hình ảnh của MRG-M0138 lên gấp khoảng 30 lần, biến một điểm ảnh không thể phân giải thành một cấu trúc có thể nghiên cứu phần lõi của nó .

Động lực học sao: Cách 'cân' thứ vô hình

Với góc nhìn đã được phóng đại, nhóm nghiên cứu đã sử dụng thiết bị quang phổ tích hợp trường NIRSpec (NIRSpec Integral Field Spectrograph) trên kính JWST. Thiết bị này ghi lại một quang phổ cho từng điểm ảnh trong bức ảnh, cho phép các nhà khoa học lập bản đồ vận tốc của các ngôi sao ở những khoảng cách khác nhau tính từ tâm thiên hà. Kỹ thuật này được gọi là động lực học sao – chính phương pháp đã được dùng để 'cân' hố đen trung tâm của Dải Ngân Hà, một kỳ công từng giành giải Nobel Vật lý năm 2020 .

Theo lẽ tự nhiên, những ngôi sao càng gần hố đen siêu khối lượng sẽ di chuyển với tốc độ càng nhanh. Bằng cách mô hình hóa sự thay đổi vận tốc của các ngôi sao theo bán kính quỹ đạo dựa trên các định luật chuyển động Kepler (Keplerian motion), nhóm nghiên cứu có thể xác định "phạm vi ảnh hưởng" của hố đen – vùng không gian nơi lực hấp dẫn của nó chi phối hoàn toàn chuyển động của các ngôi sao. Điều này cho phép một phép đo khối lượng trực tiếp. Trước nghiên cứu này, phép đo động lực học sao trực tiếp xa nhất mới chỉ dành cho một hố đen cách chúng ta khoảng 700 triệu năm ánh sáng. MRG-M0138 đã phá vỡ kỷ lục đó tới hơn mười lần .

Phát hiện: Một gã khổng lồ đã 'bóp nghẹt' chính thiên hà của mình

Phép đo đã xác nhận một hố đen có khối lượng khoảng 6 tỷ lần Mặt Trời . Thiên hà chủ của nó, MRG-M0138, là một thiên hà elip khổng lồ, đỏ và đã ngừng sản sinh các ngôi sao mới từ lâu. Hố đen trung tâm đang trong trạng thái ngủ đông, nghĩa là hiện tại nó không kéo vào và nung nóng một lượng lớn khí nào .

Những phát hiện này gợi ý về một quá khứ đầy bạo lực. Rất có thể MRG-M0138 từng là một chuẩn tinh rực rỡ, được cung cấp năng lượng bởi dòng khí xoáy ào ạt đổ vào hố đen đang lớn dần. Nguồn năng lượng khổng lồ phát ra từ giai đoạn hoạt động này có thể đã nung nóng, thậm chí thổi bay chính nguồn khí cần thiết cho quá trình hình thành sao, "dập tắt" các nhà máy sản xuất sao của thiên hà một cách hiệu quả. Do đó, trạng thái tĩnh lặng và 'chết' của thiên hà ngày nay cùng trạng thái ngủ đông của hố đen rất có thể có mối liên hệ với nhau: hố đen đã phát triển lớn và mạnh mẽ đến mức nó tự dập tắt chính thiên hà chủ của mình .

Thách thức các mô hình đồng tiến hóa

Khám phá này chạm đến cốt lõi những hiểu biết của chúng ta về cách thiên hà và hố đen cùng phát triển. Trong vũ trụ lân cận, tồn tại một mối tương quan chặt chẽ giữa khối lượng của hố đen trung tâm và các đặc tính của phần phình trung tâm của thiên hà chủ, cho thấy chúng tiến hóa song hành cùng nhau. Phép đo này cung cấp bằng chứng trực tiếp rằng mối quan hệ đó không phải lúc nào cũng đúng, và các hố đen có thể hình thành cũng như lớn lên tới kích thước khổng lồ trước khi thiên hà chủ của chúng hoàn thành việc tập hợp các ngôi sao.

Dữ liệu chỉ ra rằng một số vùng vật chất đậm đặc nhất trong vũ trụ sơ khai chính là nơi hố đen phát triển cực kỳ nhanh chóng, vượt xa tốc độ phát triển của thiên hà bao quanh . Phép đo tại MRG-M0138 đặt ra thách thức cho các mô hình đồng tiến hóa đơn giản, nơi sự phát triển của hố đen và thiên hà luôn gắn kết chặt chẽ. Các cuộc khảo sát trong tương lai với kính JWST, Euclid, Kính thiên văn Không gian Nancy Grace Roman, và các đài quan sát mặt đất thế hệ tiếp theo như Kính viễn vọng Magellan Khổng lồ đặt mục tiêu áp dụng kỹ thuật 'thấu kính hấp dẫn kết hợp động lực học sao' này cho nhiều thiên hà hơn nữa, nhằm xây dựng một bức tranh thống kê về sự đồng tiến hóa của hố đen và thiên hà xuyên suốt thời gian vũ trụ .