JWST khám phá cặp lỗ đen siêu lớn gần nhau nhất trong vũ trụ sơ khai — và bộ ba lỗ đen trong một thiên hà khác

Tại sao các kính thiên văn trước đây bỏ lỡ nó: LID-1166 lần đầu được xác định là nguồn phát tia X trong Khảo sát Di sản Chandra COSMOS, nhưng nó vẫn hoàn toàn không thể phát hiện được trong cả những hình ảnh sâu nhất của Kính viễn vọng Hubble . Các lỗ đen bị chôn vùi trong khí và bụi dày đặc, chặn ánh sáng khả kiến và hồng ngoại gần .

Dụng cụ được JWST sử dụng: Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Hyewon Suh từ NSF NOIRLab, đã sử dụng Máy quang phổ cận hồng ngoại NIRSpec của JWST . NIRSpec cho thấy hai nguồn sáng nhỏ gọn, rực sáng cách nhau 4.900 năm ánh sáng, mỗi nguồn mang dấu hiệu quang phổ của khí đang xoáy ở tốc độ cao — dấu hiệu rõ ràng của các lỗ đen siêu lớn đang tích cực 'ăn' vật chất (nhân thiên hà hoạt động, hay AGN) . Đồng tác giả Roberto Decarli cho biết: 'Bước phát hiện này chỉ có thể nhờ vào khả năng chụp ảnh và quang phổ tinh tế của JWST, và đặc biệt là thiết bị NIRSpec của nó. Các quan sát tương tự từ mặt đất sẽ vô cùng khó khăn do độ trong suốt kém của khí quyển ở các bước sóng này.'

Những gì ALMA bổ sung: Mảng kính thiên văn Atacama Large Millimeter/submillimeter (ALMA) đã phát hiện các hồ chứa khí lạnh lớn liên kết với mỗi AGN . Decarli lưu ý rằng điều này 'chỉ ra rằng hai AGN cư trú ở trung tâm của hai thiên hà đang trên bờ vực sáp nhập.' Sự hiện diện của môi trường thiên hà khí lạnh xung quanh mỗi lỗ đen đã giúp loại trừ các kịch bản hình thành thay thế kỳ lạ và xác nhận sự sáp nhập thiên hà giàu khí thực sự . Nghiên cứu đã được chấp nhận đăng trên tạp chí Nature Astronomy (bản in sẵn arXiv:2607.19491) .

Lần đầu tiên riêng biệt: Ba lỗ đen hoạt động trong một thiên hà

Một nghiên cứu đồng thời, dẫn đầu bởi Hannah Übler tại Viện Vật lý Ngoài Trái Đất Max Planck, đã xác định được ba lỗ đen siêu lớn đang tích tụ vật chất trong cùng một thiên hà J0148-4214 . Thiên hà này cách Trái Đất hơn 12,5 tỷ năm ánh sáng (dịch chuyển đỏ z=5,0167), tương ứng với khoảng 1,2 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn .

Cấu hình của bộ ba: Hai lỗ đen nằm gần nhau ở trung tâm thiên hà, chỉ cách nhau 620 năm ánh sáng trên hình chiếu, cho thấy chúng đang trên bờ vực sáp nhập. Lỗ đen thứ ba nằm xa hơn ở vùng rìa ngoài của thiên hà, cách trung tâm khoảng 5.500 năm ánh sáng . Khối lượng của chúng dao động từ vài triệu đến khoảng 80 triệu lần khối lượng Mặt Trời .

Phương pháp phát hiện: Nhóm nghiên cứu đã sử dụng NIRSpec ở chế độ Đơn vị Trường Tích hợp (NIRSpec-IFS) của JWST — quang phổ học có độ phân giải không gian — để phát hiện các lỗ đen thông qua dấu vân tay quang phổ của chúng. Mỗi lỗ đen được xác định bằng vạch phát xạ H-alpha rộng (FWHM 430–2.920 km/s) mà không có đối tác vạch cấm, một dấu hiệu rõ ràng của khí quay quanh một lỗ đen khổng lồ .

Đây là bằng chứng đầu tiên về ba lỗ đen siêu lớn đang hoạt động trong một thiên hà duy nhất trong vũ trụ xa xôi . Übler nói: 'Nó cho thấy các quá trình trong Vũ trụ sơ khai hiệu quả trong việc đưa các lỗ đen khổng lồ lại gần nhau, tạo tiền đề cho các vụ sáp nhập lỗ đen khổng lồ mà chúng ta hy vọng sẽ phát hiện bằng các đài quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai.' Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Astronomy & Astrophysics trong khuôn khổ dự án BlackTHUNDER .

Ý nghĩa của những khám phá này

Cùng với nhau, hai kết quả này mở ra một cửa sổ mới vào một giai đoạn quan trọng của lịch sử vũ trụ. Chúng cho thấy các lỗ đen siêu lớn không chỉ tồn tại mà còn đang tích cực sáp nhập và phát triển trong các môi trường giàu khí chỉ chưa đầy 1,5 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn. Khả năng nhìn xuyên qua bụi của JWST — sử dụng ánh sáng hồng ngoại mà các bước sóng ngắn hơn không thể xuyên thủng — là chìa khóa để hé lộ các hệ thống lỗ đen ẩn giấu này. Như nghiên cứu về LID-1166 chỉ ra, các kính thiên văn đời trước như Hubble đã bị mù trước những vật thể này, vốn bị bao phủ bởi chính khí và bụi nuôi dưỡng chúng .