Các lỗ đen siêu khối lượng sinh ra bởi sự hợp nhất thiên hà

Bản đồ mật độ mặt loga của đĩa hạt nhân chạy với sự nguội đi và hình thành sao: chất khí thể hiện ở tỉ lệ lớn (hình trái) và nhỏ (hình giữa), và các ngôi sao ở tỉ lệ nhỏ thể hiện trong hình bên phải. (Ảnh: Mayer et al. Nature)

Ẩn khuất tại tâm của hầu như mỗi thiên hà và ngoạm lấy các ngôi sao trong vùng phụ cận của chúng, các lỗ đen siêu khối lượng là một đối tượng gây đe dọa thật sự của vũ trụ. Nay một đội quốc tế gồm các nhà thiên văn học khẳng định đã giải được bí ẩn sự ra đời của những binh đoàn sát thủ thiên hà này trong lịch sử sơ khai của vũ trụ.

Các lỗ đen siêu khối lượng (SMBH) nặng hơn Mặt trời của chúng ta hàng nghìn, hay thậm chí hàng triệu lần. Chúng ta biết đến sự tồn tại của chúng từ tác động mà chúng gây ra lên môi trường xung quanh chúng: làm cho các ngôi sao lân cận quay xung quanh tâm thiên hà ở tốc độ cao khủng khiếp, chẳng hạn. Một khi các SMBH đạt tới kích thước tới hạn, chúng có thể biến đổi thành các quasar, những vật thể cực sáng nhỏ bằng mặt trời nhưng sáng như cả một thiên hà vậy. Nhưng sự dồi dào tương đối của các quasar trong những tỉ năm đầu tiên của vũ trụ vẫn là câu hỏi gây khó dễ cho các nhà thiên văn vật lí học.

Vấn đề khó khăn là vì người ta tin rằng “hạt giống” cho một lỗ đen mất ít nhất 10⁸ năm để hình thành và sau đó mất thêm vài tỉ năm nữa để lớn lên thành một SMBH, trong một số trường hợp thì tiếp tục phát triển thành quasar. Thông tin này xây dựng trên cơ sở giả thuyết cho rằng các SMBH hình thành theo một kiểu giống như các lỗ đen cỡ-khối-lượng-sao, đánh dấu pha kết thúc trong quãng đời của những ngôi sao nặng đã tiêu thụ hết toàn bộ nhiên liệu hạt nhân của chúng.

Các thiên hà hợp nhất

Lucio Mayor tại trường Đại học Zurich, làm việc cùng các đồng nghiệp ở Chile và Mĩ, vừa đưa ra một phương pháp khảo sát khác cho sự hình thành các SMBH này. Nhóm nghiên cứu đề xuất rằng những điều kiện thích hợp cho sự hình thành lỗ đen có thể được tạo ra bởi sự hợp nhất của hai hoặc nhiều thiên hà trong những giai đoạn nguyên thủy của chúng, khi chúng vẫn đang hợp nhất từ những đám mây bụi khổng lồ.

Sử dụng các chương trình mô phỏng trên máy tính, mất hơn 3 triệu giờ điện toán, đội của Mayor nhận thấy khi hai thiên hà trẻ tiến lại với nhau thì có thể làm cho bụi vũ trụ chuyển động xoắn ốc thật nhanh về phía điểm tụ dòng ở chính giữa. Đối với các thiên hà ở trên một kích thước tới hạn, lượng bụi hơn 100 triệu lần khối lượng mặt trời có thể đổ về phía tâm trong thời gian chỉ 100.000 năm, tạo ra một đám mây đậm đặc tại tâm.

“Sự tập trung cao của chất khí đang tương tác tạo ra những lực thủy triều mạnh làm cho chất khí tự tiêu thụ một cách hiệu quả”, Mayor giải thích. Không lâu sau thì lõi của đám mây co lại, tạo ra hạt giống của một lỗ đen, và sau 10⁸ năm thì lỗ đen siêu khối lượng đó đã lớn đến một tỉ lần khối lượng mặt trời.

Mâu thuẫn với sự hiểu biết hiện nay

Nếu các kết quả trên được cộng đồng chấp nhận, thì chúng sẽ làm xoay chuyển kiến thức hiện nay của các nhà thiên văn rằng các thiên hà phát triển theo thứ bậc tôn ti – nghĩa là, lực hấp dẫn hút kéo những lượng nhỏ vật chất lại với nhau trước, và những lượng nhỏ đó dần dần tích góp lại với nhau để tạo ra những cấu trúc lớn hơn.

“Kết quả của chúng tôi cho thấy những cấu trúc lớn – cả thiên hà lẫn lỗ đen nặng – hình thành nhanh chóng trong lịch sử của vũ trụ”, phát biểu của Stelios Kazantzidis, một thành viên khác của đội nghiên cứu tại trường đại học Bang Ohio. “[Các kết quả trên] mang lại thêm một cột mốc mới cho sự hiểu rõ các cấu trúc đã hình thành như thế nào trong vũ trụ”.

Hình minh họa tính phức tạp của sự phát triển động trong một va chạm tiêu biểu giữa hai thiên hà dạng đĩa khối lượng bằng nhau. Mô phỏng theo vật chất tối, các ngôi sao, chất khí và các lỗ đen siêu khối lượng, nhưng chỉ có thành phần chất khí được hình dung trực quan. Màu sắc sáng chỉ những vùng có mật độ chất khí cao, và thời gian tươn ứng với với mỗi ảnh được thể hiện trong khung hình.

10 khung hình đầu tiên có mỗi cạnh là 100 kpc, chừng bằng 5 lần đường kính của phần nhìn thấy của Dải Ngân hà. 5 hình tiếp theo thể hiện ảnh phóng to liên tiếp trên vùng ở chính giữa. Khung hình cuối cùng thể hiện 300 pc trong vùng của vùng hạt nhân lúc cuối quá trình mô phỏng.

Ảnh: Đại học Bang Ohio

Tuy nhiên, mô hình trên không giải thích được những thiên hà nhỏ như thiên hà chúng ta đã phát triển như thế nào để chứa một SMBH tại tâm của chúng. Trong trường hợp Dải Ngân hà, Mayor cho rằng một quá trình tiêu thụ chất khí tương tự đã xảy ra sau đó trong lịch sử của nó khi nó đạt tới một khối lượng tới hạn, sau thời gian ba đến bốn tỉ năm.

Cần kiểm tra thêm

Andrew Jaffe, một nhà thiên văn vật lí tại trường Imperial College London đồng ý rằng việc mở rộng mô hình này để bao quát một ngưỡng rộng hơn của các loại thiên hà sẽ là hữu ích. “Là một phép kiểm tra nữa của mô phỏng của họ, sẽ rất hay để xem chúng có tái tạo được cơ chế động lực học của các thiên hà đang hợp nhất trong những tình huống khác, đã nghiên cứu kĩ hay không – thí dụ như sự hợp nhất của các thiên hà ngày nay”.

Nghiên cứu trên có thể hỗ trợ cho các nhà thiên văn đang sục sạo bầu trời tìm kiếm sóng hấp dẫn, cái có thể mang lại bằng chứng trực tiếp của thuyết tương đối rộng. Theo lí thuyết của Einstein, mọi sự hợp nhất thiên hà cổ sẽ tạo ra các sóng hấp dẫn – các gợn trong không-thời gian liên tục – tàn dư của chúng vẫn có thể trông thấy ngày nay.

Trong thập niên tới, một vài sứ mệnh đặt trên không gian đã được lên kế hoạch nhằm tìm kiếm các hiện tượng vốn hay lẩn tránh này, sử dụng thiết bị giao thoa kế. “Như các tác giả chỉ rõ, cách thức các lỗ đen của họ hình thành từ sự co sập trực tiếp có tác động nổi bật lên tín hiệu sóng hấp dẫn được kì vọng trong các sứ mệnh như LISA chẳng hạn”, phát biểu của Francesco Haardt, một nhà thiên văn học tại trường đại học Insubria. Nghiên cứu này công bố trên tạp chí Nature.

Nguồn: physicsworld.com