Ba lỗ đen siêu khối lượng cùng tồn tại trong một thiên hà: Phát hiện chấn động từ Kính viễn vọng James Webb

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng bản đồ kênh của cấu hình Hα trung tâm bất đối xứng để phân tách hai vùng vạch rộng (BLR) riêng biệt về mặt không gian ở trung tâm thiên hà, cách nhau 190±40 parsec (khoảng 620 năm ánh sáng). Một BLR thứ ba được tìm thấy ở vùng ngoại vi của thiên hà, với khoảng cách phóng chiếu là 1,7 kiloparsec (khoảng 5.500 năm ánh sáng) .

Ba Lỗ Đen: Khối Lượng và Vị Trí

Sử dụng các mối quan hệ virial một kỷ nguyên, các nhà thiên văn học đã ước tính khối lượng của ba lỗ đen:

• Lỗ đen trung tâm chính: log(M☉) = 7,9 ± 0,4, tương đương khoảng 80 triệu lần khối lượng Mặt Trời
• Lỗ đen trung tâm thứ cấp: log(M☉) = 5,8 ± 0,5, tương đương khoảng 600.000 lần khối lượng Mặt Trời
• Lỗ đen bên ngoài: log(M☉) = 6,3 ± 0,4, tương đương khoảng 2 triệu lần khối lượng Mặt Trời

Các tác giả nghiên cứu nhấn mạnh rằng những ước tính khối lượng này có độ không đảm bảo đáng kể—kết quả cốt lõi là việc phát hiện ra ba lỗ đen khối lượng lớn đang hoạt động, chứ không phải các giá trị khối lượng chính xác .

Hai trong số các lỗ đen nằm gần nhau ở trung tâm thiên hà, cách nhau chỉ 620 năm ánh sáng theo hình chiếu. Lỗ đen thứ ba nằm ở vùng ngoại vi của thiên hà, cách trung tâm khoảng 5.500 năm ánh sáng .

Sự Phát Triển trong Vũ Trụ Sơ Khai và Con Đường Sáp Nhập Lỗ Đen

J0148-4214 mang đến một góc nhìn độc đáo về cách các lỗ đen siêu khối lượng phát triển nhanh chóng trong vũ trụ sơ khai. Hệ thống này cho thấy các vụ sáp nhập và tương tác đã hiệu quả trong việc đưa các lỗ đen khối lượng lớn lại gần nhau, cung cấp một con đường nhanh chóng cho sự phát triển vượt bậc của chúng . Đây là bằng chứng đầu tiên cho thấy các hệ thống ba lỗ đen đã tồn tại trong 1,2 tỷ năm đầu tiên của lịch sử vũ trụ.

Hai lỗ đen trung tâm, chỉ cách nhau 620 năm ánh sáng, dự kiến cuối cùng sẽ sáp nhập. Cặp đôi gần nhau này tạo tiền đề cho các vụ sáp nhập lỗ đen siêu khối lượng mà các đài quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai—như Laser Interferometer Space Antenna (LISA)—được thiết kế để phát hiện. Khám phá này chứng minh rằng những cặp đôi gần nhau như vậy đã tồn tại sớm hơn nhiều so với những gì chúng ta biết trước đây .

"Đây là bằng chứng đầu tiên về ba lỗ đen đang hoạt động trong một thiên hà duy nhất trong vũ trụ xa xôi," Hannah Übler, trưởng nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý Ngoài Trái đất Max Planck và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết .

Ý Nghĩa Đối với Thiên văn Học Sóng Hấp Dẫn

Hai lỗ đen trung tâm trong J0148-4214 chỉ cách nhau vài trăm parsec, có nghĩa là chúng bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn và đang trên đường va chạm. Khi cuối cùng chúng sáp nhập, chúng sẽ tạo ra sóng hấp dẫn có thể phát hiện được bằng các đài quan sát trên không gian như LISA, được thiết kế để quan sát các vụ sáp nhập của các lỗ đen khối lượng lớn. Khám phá này cho thấy những cặp đôi gần nhau như vậy đã tồn tại trong lịch sử vũ trụ sớm hơn nhiều so với những gì được biết đến, mang đến cho các nhà thiên văn học sóng hấp dẫn một mục tiêu rõ ràng và xác nhận rằng vũ trụ sơ khai tràn ngập các vụ sáp nhập lỗ đen .

Tại Sao Khám Phá Này Quan Trọng

• Lần đầu tiên: Chưa từng có thiên hà nào trong vũ trụ sơ khai được xác nhận chứa ba lỗ đen siêu khối lượng đang bồi tụ cùng lúc.
• Tăng trưởng nhanh chóng: Hệ thống này cho thấy các vụ sáp nhập và tương tác thiên hà đã hiệu quả trong việc đưa các lỗ đen lại gần nhau, giải thích cách chúng có thể phát triển nhanh chóng sau Vụ nổ Big Bang.
• Tiền đề cho sóng hấp dẫn: Cặp đôi trung tâm gần nhau là một vụ sáp nhập lỗ đen có khả năng xảy ra trong tương lai, cung cấp một phòng thí nghiệm tự nhiên để nghiên cứu các sự kiện mà LISA sẽ phát hiện.
• Khả năng độc đáo của JWST: Phát hiện này chỉ có thể thực hiện được nhờ khả năng quang phổ phân giải không gian của JWST, cho phép phân tách nhiều nhân hoạt động trong các thiên hà mờ nhạt ở xa .

Kết quả nghiên cứu đã được công bố dưới dạng bản in trước (preprint) trên arXiv.org với tiêu đề "BlackTHUNDER: evidence for three massive black holes in a z~5 galaxy" .

Những Bước Tiếp Theo

Các nhà thiên văn học có kế hoạch theo dõi bằng các quan sát bổ sung của JWST để nghiên cứu động lực học của hệ thống chi tiết hơn và tìm kiếm các thiên hà ba lỗ đen tương tự trong các trường vũ trụ sơ khai khác. Khám phá này mở ra một chương mới trong việc tìm hiểu cách các vật thể lớn nhất trong vũ trụ ra đời—và cách chúng tiếp tục định hình vũ trụ thông qua các vụ sáp nhập.