“Chấm đỏ nhỏ” của Webb có thể không chỉ là hố đen

Những “chấm đỏ nhỏ” (Little Red Dots, viết tắt là LRD) do Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) phát hiện có thể không phải những nguồn sáng điểm cô lập như vẻ ngoài của chúng. Bằng cách chồng các ảnh của 217 LRD ở những dải hồng ngoại cận khả kiến hiện có của JWST, nhóm nghiên cứu liên quan đến Xuheng Ding và Lilan Yang đã nhận ra một thành phần ánh sáng mờ nhưng có độ mở rộng đáng kể về mặt thống kê quanh nguồn sáng trung tâm. 15

Tín hiệu tổng hợp này gợi ý các thiên hà chủ đang hình thành sao, với khối lượng sao trung bình khoảng 1 tỷ lần khối lượng Mặt Trời và bán kính hiệu dụng xấp xỉ 685 năm ánh sáng. Các thiên hà này được ước tính nhỏ hơn khoảng 2,5 lần so với những thiên hà hình thành sao khác có khối lượng tương tự trong vũ trụ sơ khai. 5

Phát hiện then chốt: một thiên hà mờ bao quanh lõi sáng

Trong ảnh JWST, LRD thường gần như giống một điểm sáng. Đặc điểm này đặt ra một câu hỏi nền tảng: các nhà thiên văn đang nhìn thấy toàn bộ một thiên hà bị nén vào một vùng nhỏ bất thường, hay chỉ nhìn thấy một hố đen đang bồi tụ vật chất và phát sáng mạnh đến mức thiên hà xung quanh quá mờ để phát hiện?

Các ảnh chồng không phân giải được thiên hà chủ của từng LRD riêng lẻ. Thay vào đó, chúng cho thấy cả quần thể có một phần mở rộng trung bình đo được ngoài nguồn điểm trung tâm. Điều này giúp tách hai thành phần trước đây thường bị hòa lẫn: một lõi hạt nhân nhỏ, sáng và một thiên hà xung quanh mờ hơn nhiều. 15

Vì vậy, bức tranh phù hợp hơn hiện nay là ít nhất một phần LRD chứa một nguồn năng lượng trung tâm nằm bên trong thiên hà chủ nhỏ và đặc. Nguồn trung tâm đó có thể là hố đen đang phát triển, nhưng phát hiện này không chứng minh mọi LRD đều chứa hố đen siêu khối lượng đang hoạt động, cũng chưa xác định chắc chắn ánh sáng trung tâm bắt nguồn từ đâu.

Vì sao thiên hà chủ khó quan sát đến vậy?

Một thiên hà nhỏ có thể dễ dàng biến mất dưới ánh sáng mạnh hơn nhiều của một lõi trung tâm chưa được phân giải. Khi nguồn trung tâm chi phối toàn bộ ảnh, phần rìa có độ sáng bề mặt thấp của thiên hà chủ rất khó phân biệt với hình ảnh điểm của kính thiên văn và nhiễu nền.

Thách thức càng lớn với các vật thể ở rất xa. Sự suy giảm độ sáng bề mặt do giãn nở vũ trụ làm ánh sáng khuếch tán khó quan sát hơn, còn độ phân giải góc hữu hạn của JWST khiến thành phần hạt nhân và thành phần thiên hà khó tách riêng nếu chúng đều rất nhỏ.

Phương pháp chồng ảnh khắc phục một phần vấn đề này: khi nhiều vật thể được căn chỉnh, cấu trúc yếu nhưng có tính lặp lại sẽ tích lũy, còn nhiễu không liên quan có xu hướng triệt tiêu. Tuy nhiên, đây là phép đo ở cấp độ quần thể, không phải bằng chứng cho thấy từng LRD đều đã được nhìn thấy như một thiên hà phân giải rõ ràng.

Một nghiên cứu đa băng trước đó về tám LRD trong chương trình UNCOVER cho thấy bốn vật thể có phát xạ mở rộng hoặc lệch tâm, nhưng bản chất của một số thành phần vẫn chưa rõ. 2 Vì thế, kết quả mới nên được hiểu là bằng chứng về một thành phần thiên hà chủ trung bình trong cả quần thể, thay vì phép đo trực tiếp cho từng vật thể.

Kết quả này thay đổi cách nghĩ về “hạt giống” hố đen như thế nào?

Trước khi phát hiện tín hiệu mở rộng, vẻ ngoài nhỏ gọn của LRD có thể được diễn giải theo hai hướng. Chúng có thể là những thiên hà đặc đến mức bất thường, hoặc là các hố đen đang bồi tụ mạnh và lấn át một thiên hà chủ gần như vô hình.

Phép đo mới khiến cách giải thích thứ hai trở nên khả dĩ hơn đối với ít nhất một phần quần thể, đồng thời cho thấy thiên hà chủ không hoàn toàn vắng mặt. Một nguồn sáng trung tâm có thể là hố đen đang lớn lên bên trong một thiên hà nhỏ, thay vì toàn bộ hệ thống quan sát được chỉ là một vật thể đặc duy nhất.

Sự phân biệt này quan trọng đối với việc ước tính tỷ lệ khối lượng giữa hố đen và thiên hà chủ, cũng như các lý thuyết về quá trình hình thành thiên hà sơ khai. Nếu ánh sáng hạt nhân trước đây bị gán cho toàn bộ thiên hà, thiên hà chủ có thể bị đánh giá là nhỏ hoặc nhẹ hơn thực tế. Việc tách hai thành phần sẽ giúp kiểm tra chính xác hơn cách hố đen và thiên hà của chúng cùng phát triển trong vũ trụ thuở đầu.

Các quan sát tia X nói gì?

Phát hiện thiên hà chủ không giải quyết riêng câu hỏi nguồn năng lượng nào đang cung cấp ánh sáng cho lõi LRD. Nhiều nghiên cứu tia X không phát hiện được từng LRD, dù một số phân tích cho thấy tín hiệu thận trọng khi chồng dữ liệu của nhiều vật thể. 3

Một cách giải thích là LRD chứa các hố đen bồi tụ rất nhanh, bị che khuất bởi khí ion hóa cực kỳ dày. Một nghiên cứu gần đây lập luận rằng vật chất dày đến mức Compton có thể làm suy yếu tia X và mở rộng các vạch phát xạ thông qua tán xạ electron. Điều này khiến LRD trông khác thường và có thể làm các phép ước tính khối lượng hố đen theo phương pháp thông thường trở nên không đáng tin cậy. 4

Kịch bản này có thể liên kết một số đặc điểm khó hiểu: nguồn sáng nhỏ nhưng rực rỡ, các vạch hydro và heli rộng, cùng lượng tia X yếu. Tuy nhiên, mờ tia X không phải dấu hiệu duy nhất của một cơ chế cụ thể. Nó cũng có thể phản ánh thay đổi nội tại trong vật lý bồi tụ, sự che khuất mạnh hoặc những hạn chế của các mô hình khối lượng và phổ hiện nay. Do đó, dữ liệu tia X ủng hộ sự hiện diện của hố đen đang hoạt động ở ít nhất một số LRD, nhưng chưa chứng minh chúng chi phối toàn bộ quần thể. 34

Những khả năng cạnh tranh vẫn chưa bị loại trừ

Thành phần thiên hà chủ mở rộng phù hợp với nhiều bức tranh vật lý khác nhau:

• Một hố đen bồi tụ nhanh, bị che khuất, nằm giữa khí và các ngôi sao.
• Một thiên hà hình thành sao nhỏ gọn, trong đó quần thể sao ở vùng hạt nhân đóng góp phần lớn ánh sáng quan sát được.
• Một hố đen nằm trong lớp khí ion hóa có mật độ đặc biệt cao, hoặc một cấu hình kiểu “ngôi sao hố đen”. 6
• Một hệ hỗn hợp, nơi ánh sáng từ quá trình bồi tụ, sao, khí phát xạ, cùng ánh sáng hạt nhân bị tán xạ hoặc tái xử lý đều đóng góp.

Kích thước thiên hà chủ nhỏ bất thường phù hợp với khả năng LRD đang ở trong một giai đoạn tiến hóa có mật độ cao của vũ trụ sơ khai, khi dòng khí đổ vào, sự hình thành sao và quá trình tăng trưởng hố đen có thể gắn bó chặt chẽ. Tuy nhiên, kích thước này chưa thể xác định duy nhất một con đường hình thành. Các nghiên cứu hiện nay vẫn chưa thống nhất tỷ lệ LRD bị chi phối bởi nhân thiên hà hoạt động (AGN) so với những vật thể chủ yếu do sao hoặc vùng hình thành sao nhỏ gọn phát sáng. 34

Những câu hỏi còn bỏ ngỏ

Giữa phát hiện thống kê từ ảnh chồng và một lời giải thích dứt khoát về LRD vẫn còn nhiều câu hỏi:

1. Nguồn năng lượng của lõi là gì? Ánh sáng trung tâm có thể đến từ quá trình bồi tụ vào hố đen, các ngôi sao, ánh sáng bị tán xạ, bức xạ tái xử lý hoặc sự kết hợp của nhiều nguồn.
2. Ánh sáng của thiên hà chủ bắt nguồn từ đâu? Thành phần mở rộng có thể bao gồm liên tục sao, phát xạ từ khí ion hóa, ánh sáng hạt nhân bị tán xạ hoặc cả ba. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến ước tính khối lượng sao, kích thước và tốc độ hình thành sao.
3. Ảnh chồng có đại diện cho mọi LRD không? Giá trị trung bình của cả quần thể có thể che giấu sự đa dạng lớn. Một số LRD có thể có thiên hà chủ dễ phát hiện, trong khi số khác vẫn hoàn toàn chưa phân giải hoặc có cấu trúc rất khác.
4. Vì sao tia X yếu đến vậy? Các quan sát nhạy hơn là cần thiết để phân biệt sự hấp thụ bởi khí đặc với trường hợp nguồn tia X vốn đã yếu về bản chất.
5. Những hệ thống này hình thành sớm như thế nào? Cần các mẫu lớn hơn và phép đo thiên hà chủ chính xác hơn để xác định liệu LRD là một giai đoạn tăng trưởng ngắn, một con đường phổ biến của thiên hà sơ khai hay chỉ là hiệu ứng chọn mẫu.

Những phép thử quan sát tiếp theo

Bước tiến quyết định có thể đến từ phổ học JWST phân giải không gian và các ảnh sâu hơn, cho phép tách ánh sáng hạt nhân khỏi ánh sáng thiên hà chủ. Phổ học có thể giúp xác định thành phần mở rộng chủ yếu là ánh sáng sao hay phát xạ khí, đồng thời cho thấy động học của khí liên quan đến dòng khí đi vào, dòng phụt ra hoặc vùng hình thành sao nhỏ gọn.

Các quan sát tia X sâu hơn sẽ cung cấp một phép kiểm tra độc lập đối với giả thuyết về quá trình bồi tụ bị che giấu. Những mẫu lớn hơn, quan sát được hỗ trợ bởi thấu kính hấp dẫn, cùng mô hình hóa kết hợp dữ liệu hồng ngoại, quang học, tia X, vô tuyến và dưới milimét cũng có thể cho biết hiệu ứng “thiếu thiên hà chủ” phụ thuộc như thế nào vào dịch chuyển đỏ, độ sáng, hướng quan sát, cột khí hay phương pháp chọn mẫu.

Kết luận chắc chắn nhất hiện nay vẫn khá thận trọng nhưng có ý nghĩa: LRD không thể được mô tả đầy đủ như những nguồn sáng điểm không có cấu trúc. Ánh sáng chồng của chúng cho thấy các thiên hà chủ nhỏ gọn bao quanh những thành phần trung tâm sáng, giải quyết một phần câu đố về vẻ ngoài “không có thiên hà chủ”, nhưng vẫn để ngỏ danh tính nguồn năng lượng trung tâm và ý nghĩa tiến hóa của cả quần thể.