Vì sao MoM-BH*-1 không giống một ngôi sao bình thường?

Các nhà thiên văn không chụp trực tiếp được hố đen bên trong vật thể. Thay vào đó, họ đối chiếu độ sáng, màu sắc và quang phổ JWST đo được với nhiều mô hình về nguồn phát năng lượng.

Một số đặc điểm khiến lời giải thích bằng các ngôi sao thông thường gặp khó khăn:

• Năng lượng phát ra quá lớn. MoM-BH*-1 dường như tỏa ra năng lượng gấp khoảng 100 tỷ lần một ngôi sao đã biết, vượt xa mức mà phản ứng nhiệt hạch thông thường có thể cung cấp.
• Vạch ngắt Balmer mạnh bất thường. Độ sâu đo được vào khoảng 7,7, cao hơn giới hạn dự kiến của một quần thể sao thông thường không có bụi, thậm chí vượt cả mức dự kiến nếu quần thể đó chủ yếu gồm các sao loại A.
• Nguồn sáng rất đỏ nhưng không cho thấy rõ sự hiện diện của bụi. Quang phổ hầu như không có dấu hiệu của các nguyên tố nặng hơn hydro và heli. Vì vậy, việc màu đỏ là do bụi làm mờ ánh sáng không phải cách giải thích tự nhiên nhất.
• Nhỏ gọn nhưng khổng lồ theo tiêu chuẩn sao. Lớp vỏ phát sáng được mô hình hóa với kích thước xấp xỉ Hệ Mặt Trời, lớn hơn rất nhiều so với một ngôi sao thông thường.

Tổng hợp các dấu hiệu này cho thấy ánh sáng có thể đang được tạo ra và xử lý lại trong một môi trường khí đặc, khác thường, thay vì chỉ đến từ một tập hợp các ngôi sao bình thường.

Mô hình “ngôi sao hố đen” hoạt động ra sao?

Theo mô hình được đề xuất, MoM-BH*-1 chứa một hố đen có khối lượng khoảng 100.000 lần Mặt Trời, được bao quanh bởi một lớp khí hydro dày và gần như không chứa kim loại. Lớp khí này có kích thước xấp xỉ Hệ Mặt Trời.

Khi khí rơi về phía hố đen, năng lượng hấp dẫn được giải phóng. Nếu lớp vỏ đủ đặc, bức xạ năng lượng cao sẽ không thoát ra ngay như trong trường hợp một đĩa bồi tụ lộ thiên. Thay vào đó, khí có thể hấp thụ, tán xạ rồi tái xử lý bức xạ trước khi phát ra ở các bước sóng dài hơn.

Kết quả là một “quang quyển giả”: bề mặt bên ngoài trông nguội, đỏ và giống sao, bao quanh một “động cơ” trung tâm giàu năng lượng hơn nhiều. Cấu trúc này có thể đồng thời giải thích vẻ ngoài giống sao và độ sáng phi thường của MoM-BH*-1. Lớp hydro đặc cũng có thể tạo ra vạch ngắt Balmer sâu bất thường trong quang phổ.

Liên hệ với những “chấm đỏ nhỏ” của JWST

JWST đã phát hiện nhiều nguồn sáng đỏ, nhỏ gọn trong vũ trụ sơ khai, thường được gọi là “little red dots” hay “chấm đỏ nhỏ”. Kích thước biểu kiến rất nhỏ cùng quang phổ khác thường khiến giới thiên văn chưa thể xác định chắc chắn bản chất của chúng.

Giả thuyết về “ngôi sao hố đen” đưa ra một khả năng kết nối: một số chấm đỏ nhỏ có thể là những phiên bản trẻ hơn, nhỏ hơn hoặc kém sáng hơn của các hố đen bị chôn trong lớp khí dày. MoM-BH*-1 sẽ là trường hợp đặc biệt nổi bật, bởi hố đen được bao bọc bên trong có thể sáng hơn gần như toàn bộ thiên hà chủ.

Mô hình này cũng có thể góp phần giải thích vì sao nhiều chấm đỏ nhỏ không phát hiện được tia X. Một hố đen hoạt động lộ thiên thường phát ra bức xạ năng lượng cao, nhưng lớp hydro đủ dày có thể hấp thụ hoặc giữ lại phần lớn bức xạ đó, rồi chuyển hóa thành ánh sáng quang học và hồng ngoại. Đây là dự đoán của mô hình, không phải phép đo tia X trực tiếp đối với MoM-BH*-1.

Vì sao phát hiện này vẫn chưa được xác nhận?

Các dữ liệu hiện có xác nhận ánh sáng và quang phổ mà JWST quan sát được, chứ chưa cho thấy trực tiếp một hố đen, lớp vỏ khí hay dòng vật chất bồi tụ tách biệt. Khối lượng hố đen, hình học của lớp khí và nguồn năng lượng đều được suy ra bằng cách so sánh các mô hình vật lý với dữ liệu quan sát.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu xem kịch bản hố đen bị bao bọc là lời giải thích có khả năng nhất, chứ chưa coi đây là bằng chứng chắc chắn về một lớp vật thể mới. Những khả năng khác, chẳng hạn một ngôi sao cực lớn gần như không chứa kim loại hoặc một cấu hình khí đặc khác thường, vẫn chưa bị loại trừ hoàn toàn.

Các quan sát quang phổ bổ sung của JWST và việc nghiên cứu thêm những nguồn tương tự trong vũ trụ sơ khai sẽ cần thiết để kiểm tra các dự đoán riêng của mô hình. Những dữ liệu đó có thể cho biết liệu “ngôi sao hố đen” có phải là một quần thể phổ biến hay không.

Hiện tại, cách mô tả thận trọng nhất về MoM-BH*-1 là một ứng viên đầy thuyết phục: nó trông giống một ngôi sao, phát năng lượng theo cách gần với hố đen hơn, và có thể mở ra lời giải mới cho những chấm đỏ nhỏ đang xuất hiện trong các trường sâu của JWST.

Vì sao MoM-BH*-1 không giống một ngôi sao bình thường?

Các nhà thiên văn không chụp trực tiếp được hố đen bên trong vật thể. Thay vào đó, họ đối chiếu độ sáng, màu sắc và quang phổ JWST đo được với nhiều mô hình về nguồn phát năng lượng.

Một số đặc điểm khiến lời giải thích bằng các ngôi sao thông thường gặp khó khăn:

• Năng lượng phát ra quá lớn. MoM-BH*-1 dường như tỏa ra năng lượng gấp khoảng 100 tỷ lần một ngôi sao đã biết, vượt xa mức mà phản ứng nhiệt hạch thông thường có thể cung cấp.
• Vạch ngắt Balmer mạnh bất thường. Độ sâu đo được vào khoảng 7,7, cao hơn giới hạn dự kiến của một quần thể sao thông thường không có bụi, thậm chí vượt cả mức dự kiến nếu quần thể đó chủ yếu gồm các sao loại A.
• Nguồn sáng rất đỏ nhưng không cho thấy rõ sự hiện diện của bụi. Quang phổ hầu như không có dấu hiệu của các nguyên tố nặng hơn hydro và heli. Vì vậy, việc màu đỏ là do bụi làm mờ ánh sáng không phải cách giải thích tự nhiên nhất.
• Nhỏ gọn nhưng khổng lồ theo tiêu chuẩn sao. Lớp vỏ phát sáng được mô hình hóa với kích thước xấp xỉ Hệ Mặt Trời, lớn hơn rất nhiều so với một ngôi sao thông thường.

Tổng hợp các dấu hiệu này cho thấy ánh sáng có thể đang được tạo ra và xử lý lại trong một môi trường khí đặc, khác thường, thay vì chỉ đến từ một tập hợp các ngôi sao bình thường.

Mô hình “ngôi sao hố đen” hoạt động ra sao?

Theo mô hình được đề xuất, MoM-BH*-1 chứa một hố đen có khối lượng khoảng 100.000 lần Mặt Trời, được bao quanh bởi một lớp khí hydro dày và gần như không chứa kim loại. Lớp khí này có kích thước xấp xỉ Hệ Mặt Trời.

Khi khí rơi về phía hố đen, năng lượng hấp dẫn được giải phóng. Nếu lớp vỏ đủ đặc, bức xạ năng lượng cao sẽ không thoát ra ngay như trong trường hợp một đĩa bồi tụ lộ thiên. Thay vào đó, khí có thể hấp thụ, tán xạ rồi tái xử lý bức xạ trước khi phát ra ở các bước sóng dài hơn.

Kết quả là một “quang quyển giả”: bề mặt bên ngoài trông nguội, đỏ và giống sao, bao quanh một “động cơ” trung tâm giàu năng lượng hơn nhiều. Cấu trúc này có thể đồng thời giải thích vẻ ngoài giống sao và độ sáng phi thường của MoM-BH*-1. Lớp hydro đặc cũng có thể tạo ra vạch ngắt Balmer sâu bất thường trong quang phổ.

Liên hệ với những “chấm đỏ nhỏ” của JWST

JWST đã phát hiện nhiều nguồn sáng đỏ, nhỏ gọn trong vũ trụ sơ khai, thường được gọi là “little red dots” hay “chấm đỏ nhỏ”. Kích thước biểu kiến rất nhỏ cùng quang phổ khác thường khiến giới thiên văn chưa thể xác định chắc chắn bản chất của chúng.

Giả thuyết về “ngôi sao hố đen” đưa ra một khả năng kết nối: một số chấm đỏ nhỏ có thể là những phiên bản trẻ hơn, nhỏ hơn hoặc kém sáng hơn của các hố đen bị chôn trong lớp khí dày. MoM-BH*-1 sẽ là trường hợp đặc biệt nổi bật, bởi hố đen được bao bọc bên trong có thể sáng hơn gần như toàn bộ thiên hà chủ.

Mô hình này cũng có thể góp phần giải thích vì sao nhiều chấm đỏ nhỏ không phát hiện được tia X. Một hố đen hoạt động lộ thiên thường phát ra bức xạ năng lượng cao, nhưng lớp hydro đủ dày có thể hấp thụ hoặc giữ lại phần lớn bức xạ đó, rồi chuyển hóa thành ánh sáng quang học và hồng ngoại. Đây là dự đoán của mô hình, không phải phép đo tia X trực tiếp đối với MoM-BH*-1.

Vì sao phát hiện này vẫn chưa được xác nhận?

Các dữ liệu hiện có xác nhận ánh sáng và quang phổ mà JWST quan sát được, chứ chưa cho thấy trực tiếp một hố đen, lớp vỏ khí hay dòng vật chất bồi tụ tách biệt. Khối lượng hố đen, hình học của lớp khí và nguồn năng lượng đều được suy ra bằng cách so sánh các mô hình vật lý với dữ liệu quan sát.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu xem kịch bản hố đen bị bao bọc là lời giải thích có khả năng nhất, chứ chưa coi đây là bằng chứng chắc chắn về một lớp vật thể mới. Những khả năng khác, chẳng hạn một ngôi sao cực lớn gần như không chứa kim loại hoặc một cấu hình khí đặc khác thường, vẫn chưa bị loại trừ hoàn toàn.

Các quan sát quang phổ bổ sung của JWST và việc nghiên cứu thêm những nguồn tương tự trong vũ trụ sơ khai sẽ cần thiết để kiểm tra các dự đoán riêng của mô hình. Những dữ liệu đó có thể cho biết liệu “ngôi sao hố đen” có phải là một quần thể phổ biến hay không.

Hiện tại, cách mô tả thận trọng nhất về MoM-BH*-1 là một ứng viên đầy thuyết phục: nó trông giống một ngôi sao, phát năng lượng theo cách gần với hố đen hơn, và có thể mở ra lời giải mới cho những chấm đỏ nhỏ đang xuất hiện trong các trường sâu của JWST.