Bốn cặp “chấm đỏ nhỏ” gợi ý hố đen từng lớn nhanh ở vũ trụ sơ khai

Kỹ thuật mới nhìn thấy những cặp từng bị hòa lẫn

“Chấm đỏ nhỏ” — hay Little Red Dots (LRD) — là tên gọi dành cho một nhóm nguồn sáng nhỏ gọn, có màu đỏ nổi bật trong dữ liệu của Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST). Chúng thường được phát hiện ở độ dịch chuyển đỏ lớn, tức nhìn thấy vào thời kỳ rất sớm của vũ trụ, và được xem là những ứng viên có thể chứa các hố đen đang bồi tụ vật chất với tốc độ cao. Bản chất chính xác của LRD vẫn là chủ đề tranh luận. 81

Trong nghiên cứu mới, nhóm thiên văn sử dụng kỹ thuật phân tích màu theo từng pixel trong ảnh hồng ngoại. Thay vì chỉ đánh giá màu và hình dạng của toàn bộ một nguồn sáng, phương pháp này xem xét sự phân bố màu bên trong từng pixel. Nhờ đó, các lõi đỏ nằm sát nhau — vốn có thể bị các phương pháp nhận diện nguồn nhỏ gọn thông thường làm mờ thành một vật thể duy nhất — có cơ hội được tách ra.

Kết quả là nhóm nghiên cứu tìm được bốn cặp LRD ứng viên trong ảnh COSMOS-Web. Các thành viên trong mỗi cặp cách nhau khoảng 0,2–1,2 giây cung, một khoảng cách rất nhỏ khi quan sát các vật thể ở thời kỳ vũ trụ sơ khai. 8

Vì sao các cặp này có vẻ không chỉ là sự trùng hợp?

Bằng chứng thuyết phục nhất đến từ quang phổ. Với hai trong bốn cặp, dữ liệu quang phổ không khe của JWST/COSMOS-3D cho thấy cả hai thành viên trong mỗi cặp đều có một vạch phát xạ ở cùng bước sóng quan sát được. Nếu những vạch rộng, có độ tương đương lớn này được xác định là vạch H-alpha, hai cặp sẽ có độ dịch chuyển đỏ chung lần lượt là 5,822 và 5,464. Điều đó ủng hộ khả năng chúng ở gần nhau về mặt vật lý, thay vì chỉ tình cờ chồng lên nhau trên cùng đường ngắm từ Trái đất. 8

Các độ dịch chuyển đỏ nói trên tương ứng với khoảng cách chiếu bằng khoảng 1,64 và 7,36 kiloparsec, tức xấp xỉ 5.300 và 24.000 năm ánh sáng. Ánh sáng từ bốn hệ này đã mất khoảng 12,5–12,8 tỷ năm để đến chúng ta. 8

Nhóm nghiên cứu cũng so sánh kết quả với các danh mục mô phỏng. Khả năng những vật thể hoàn toàn không liên quan tình cờ nằm gần nhau trên cùng đường ngắm khó giải thích được mức độ tập trung quan sát thấy. Tương quan của LRD ở quy mô nhỏ được ước tính cao hơn khoảng 20–30 lần so với mức ngoại suy từ tín hiệu tương quan của các nhân thiên hà hoạt động (AGN) ở quy mô lớn của JWST. 8

Những kết quả này cho thấy có thể tồn tại một quần thể đáng kể các cặp hố đen cách nhau ở quy mô kiloparsec trong vũ trụ sơ khai. Tuy nhiên, chúng nên được gọi là ứng viên tiền thân của các vụ sáp nhập thiên hà và hố đen, chứ chưa phải những hố đen đôi đã được xác nhận đang ở giai đoạn xoắn vào nhau cuối cùng. Việc LRD thực sự là các hố đen đang bồi tụ vật chất, cũng như thời điểm chúng có thể sáp nhập, vẫn cần thêm quan sát. 81

Manh mối cho bài toán hố đen siêu nặng lớn nhanh

Nếu cả hai LRD trong một cặp đều chứa hố đen đang bồi tụ, một vụ sáp nhập trong tương lai có thể kết hợp khối lượng của chúng. Các tương tác hấp dẫn cũng có thể dồn khí về phía hố đen còn lại, tiếp tục cung cấp nhiên liệu cho quá trình bồi tụ nhanh.

Những lần sáp nhập lặp lại, kết hợp với bồi tụ khí, có thể là một con đường giúp tạo ra các hố đen rất lớn trong khoảng thời gian tương đối ngắn sau Vụ Nổ Lớn. Đây là vấn đề quan trọng bởi LRD được xem là ứng viên cho một giai đoạn tăng trưởng sớm của hố đen siêu nặng, nhưng cơ chế khiến chúng dường như phát triển nhanh vẫn chưa được giải thích thống nhất. 81

Sáp nhập không phải lời giải duy nhất

Một khả năng khác là tốc độ bồi tụ khí đặc biệt cao, chứ không nhất thiết các vụ sáp nhập phải là động lực chính. Một số mô hình và kết quả quang phổ cho rằng LRD có thể là các nhân thiên hà hoạt động bị vùi trong những lớp khí dày, đục quang học. Các “kén” khí này vừa cung cấp vật chất cho hố đen, vừa làm thay đổi màu sắc đỏ quan sát được. 32

Hai cách giải thích trên cũng không loại trừ lẫn nhau. Khí dày có thể thúc đẩy bồi tụ mạnh trước, trong và sau một vụ sáp nhập. Dữ liệu hiện nay chưa cho biết chính xác bao nhiêu phần tăng trưởng của hố đen sơ khai đến từ sáp nhập và bao nhiêu phần đến từ bồi tụ khí. 83

Các khảo sát JWST lớn hơn sẽ trả lời điều gì?

Khi kỹ thuật phân tích từng pixel được áp dụng cho những khảo sát JWST rộng và sâu hơn, các nhà thiên văn có thể đo chính xác hơn:

• Tỷ lệ LRD có bạn đồng hành ở khoảng cách gần.
• Tỷ lệ cặp thay đổi ra sao theo độ dịch chuyển đỏ và độ sáng.
• Các vụ sáp nhập có phổ biến đến mức trở thành một kênh tăng trưởng chủ đạo của hố đen hay không. 8

Những phép đo này có thể giúp ước tính tốc độ sáp nhập và khối lượng của các hệ hố đen đôi trong vũ trụ sơ khai. Về lâu dài, chúng cũng hỗ trợ dự báo mục tiêu và tần suất sự kiện cho các đài quan trắc sóng hấp dẫn trong không gian như LISA, cùng những thiết bị decihertz được đề xuất. 5

Vì vậy, phát hiện hiện tại là bằng chứng mạnh cho thấy các cặp LRD ở gần nhau xuất hiện nhiều hơn dự kiến. Nhưng nó vẫn chưa phải là lần phát hiện trực tiếp các hố đen đang sáp nhập, càng chưa phải là phát hiện sóng hấp dẫn từ những vụ sáp nhập đó. 8