“Chấm đỏ nhỏ” của JWST có thể hé lộ con đường hình thành hố đen không hoàn toàn nguyên thủy

Thay vì cần một lời giải duy nhất, ba nghiên cứu gần đây gợi ra một bức tranh nhiều tầng cho các “chấm đỏ nhỏ” (little red dots, LRD) mà Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) phát hiện ở vũ trụ rất sớm. Một số hố đen có thể đã khởi đầu bằng các hạt giống nặng bất thường, sau đó tăng khối lượng nhanh nhờ nuốt khí, và trong các hệ thiên hà tương tác, tiếp tục lớn lên qua sáp nhập.

Điều này giúp giảm bớt bài toán thời gian: làm thế nào các hố đen siêu khối lượng đã có thể xuất hiện khi vũ trụ còn rất trẻ. Tuy vậy, các nghiên cứu chưa chứng minh rằng mọi LRD đều có chung nguồn gốc.

Hạt giống “không hoàn toàn nguyên thủy”

Một đề xuất lý thuyết cho rằng những vùng tập trung vật chất tối chỉ nhỉnh hơn trung bình có thể gom khí từ rất sớm. Khi đó, nền vi sóng vũ trụ (CMB) vẫn còn nóng; nhiệt này có thể làm khí khó nguội đi, phân mảnh và hình thành các ngôi sao thông thường. Thay vào đó, khí có thể sụp đổ trực tiếp thành hố đen trước khi quần thể sao ra đời. 8

Cơ chế này được gọi là “không hoàn toàn nguyên thủy” vì nó không đòi hỏi hố đen sinh ra ngay trong những khoảnh khắc đầu sau Vụ Nổ Lớn như giả thuyết hố đen nguyên thủy. Nhưng nó vẫn xảy ra sớm hơn con đường quen thuộc, trong đó hố đen hình thành từ tàn dư của sao. Nếu đúng, hố đen sẽ có khối lượng ban đầu lớn hơn đáng kể, nhờ đó dễ đạt quy mô của các hố đen nuôi chuẩn tinh hơn trong quãng thời gian ngắn ngủi của vũ trụ sơ khai. Đây hiện là một cơ chế được đề xuất trên lý thuyết, chưa phải quan sát trực tiếp về một hạt giống như vậy. 8

Những cặp LRD sát nhau: dấu vết của tương tác và sáp nhập?

Một phân tích từ khảo sát COSMOS-Web đã tìm thấy bốn ứng viên cặp LRD, với khoảng cách góc chiếu lên bầu trời từ 0,2 đến 1,2 giây cung. Kết quả gợi ý các LRD có thể tập trung gần nhau nhiều hơn dự kiến ở thang nhỏ. 14

Nếu quang phổ sau này xác nhận hai thành viên trong mỗi cặp thực sự ở cùng độ dịch đỏ và đều chứa hố đen đang bồi tụ, tương tác giữa các thiên hà có thể kéo nhân của chúng lại gần, kích hoạt dòng khí chảy vào trung tâm và cuối cùng dẫn đến sáp nhập hố đen. Khi ấy, sáp nhập sẽ bổ sung một con đường tăng trưởng bên cạnh việc nuốt khí. 14

Dù vậy, cần giữ sự thận trọng: đây mới là các cặp ứng viên. Việc hai nguồn tình cờ thẳng hàng theo hướng quan sát, việc chúng có liên hệ vật lý, và việc các hố đen cuối cùng có sáp nhập hay không là ba vấn đề riêng biệt vẫn cần được xác nhận. 14

MoM-BH*-1: khi hố đen đội lốt một nguồn sáng giống sao

Diễn giải về vật thể MoM-BH*-1 cho thấy một hố đen đang bồi tụ mạnh có thể trông như nguồn đỏ, nhỏ gọn và mang dáng vẻ “giống sao”. Mô hình phù hợp nhất với phổ quan sát mô tả một lớp vỏ khí đậm đặc được nung năng lượng bởi hố đen trung tâm, thay vì bởi phản ứng nhiệt hạch thông thường trong sao. 1

Theo mô hình được báo cáo, hố đen trung tâm có khối lượng khoảng 100.000 lần khối lượng Mặt Trời, nằm trong một kén hydro rất dày đặc, trải rộng xấp xỉ quy mô Hệ Mặt Trời. 1 Nếu cách diễn giải này được củng cố, MoM-BH*-1 sẽ là ví dụ trực quan về một pha tăng trưởng nhanh của hố đen thời sơ khai — đồng thời là một hạt giống nặng, chứ không phải hố đen sinh ra từ cái chết của một ngôi sao thông thường.

Một công thức gồm ba “chất tăng tốc”

Gộp các manh mối lại, vũ trụ sơ khai có thể đã tạo ra hố đen siêu khối lượng bằng sự kết hợp của ba yếu tố:

1. Hạt giống ban đầu nặng;
2. Nguồn khí nuôi dưỡng bền bỉ, có thể bị che khuất, giúp hố đen tăng khối lượng nhanh;
3. Tăng trưởng do sáp nhập, khi các thiên hà và nhân thiên hà tương tác.

Đây là kịch bản ít cực đoan hơn việc phải giả định một quần thể khổng lồ hố đen được tạo ra ngay sau Vụ Nổ Lớn. Tuy nhiên, nó vẫn đòi hỏi những môi trường hiếm trong vũ trụ trẻ: nơi sự hình thành sao bình thường bị kìm hãm và khí được dồn vào trung tâm với hiệu suất cao.

Kết luận quan trọng nhất hiện nay là: ba hướng nghiên cứu này bổ sung cho nhau, chứ chưa tạo thành lời giải đã chốt. Cơ chế “không hoàn toàn nguyên thủy” vẫn là lý thuyết; các cặp LRD cần quan sát xác nhận; còn MoM-BH*-1 có thể chỉ đại diện cho một nhóm LRD, không nhất thiết là toàn bộ quần thể. 8141