Hành tinh có thể hình thành quanh lỗ đen siêu khối lượng như thế nào?

Một trong những nơi dữ dội nhất vũ trụ lại có thể vận hành như một xưởng sản xuất hành tinh khổng lồ. Theo mô phỏng được hai nhà vật lý thiên văn Bhupendra Mishra và Wladimir Lyra thảo luận trên chương trình SETI Live năm 2026, bụi ở vùng ngoài của đĩa vật chất quanh lỗ đen siêu khối lượng có thể kết tụ thành các vật thể lớn cỡ Sao Mộc. Về lý thuyết, một nhân thiên hà hoạt động thậm chí có thể tạo ra khoảng một triệu vật thể như vậy trong một giai đoạn hoạt động. Lời giải không nằm ở bản thân lỗ đen, mà ở cách các hạt rắn chuyển động và dồn lại trong lớp khí bụi bao quanh nó. [1]

Vì sao quanh lỗ đen vẫn có nơi để hành tinh ra đời?

Lỗ đen siêu khối lượng thường nằm ở vùng trung tâm của các thiên hà lớn. Khi một lỗ đen loại này tích cực hút khí và bụi, khu vực sáng và giàu năng lượng bao quanh nó được gọi là nhân thiên hà hoạt động, viết tắt là AGN. Vật chất không rơi thẳng vào lỗ đen ngay lập tức mà tạo thành một đĩa bồi tụ chuyển động xung quanh. Phần nằm gần tâm có nhiệt độ rất cao, nhưng đĩa không đồng nhất từ trong ra ngoài. Nghiên cứu tập trung vào vùng ngoài nhiều bụi hơn, nơi các hạt rắn có cơ hội tồn tại và tương tác. [1]

Điểm quan trọng là “hành tinh quanh lỗ đen” không có nghĩa một thế giới nằm sát chân trời sự kiện. Các vật thể giả định hình thành ở vùng ngoài của hệ thống, cách xa phần nóng nhất. Về vai trò, khu vực ấy được so sánh với những miền lạnh ở rìa một hệ hành tinh, nơi vật liệu rắn có thể tụ lại. Quy mô giữa hai môi trường rất khác nhau: lỗ đen trung tâm có thể nặng gấp hàng triệu lần Mặt Trời, còn các mầm vật thể trong mô phỏng đã có thể bắt đầu ở mức khối lượng tương đương Sao Mộc. [1]

Bụi rời rạc biến thành một vật thể lớn bằng cách nào?

Cơ chế then chốt mang tên streaming instability, có thể hiểu là sự bất ổn do dòng hạt. Trong một đĩa gồm khí và bụi, lực cản của khí tác động lên các hạt rắn đang chuyển động. Thay vì luôn phân tán đều, bụi có thể tự tập trung thành những vùng ngày càng đặc. Khi mật độ đủ cao, các cụm này trở thành điểm khởi đầu cho quá trình tạo nên một vật thể có khối lượng hành tinh. Cùng kiểu vật lý ấy cũng được dùng để giải thích những bước đầu của sự hình thành hành tinh quanh sao. [1]

Có thể hình dung hiện tượng này bằng một ví dụ đơn giản: nhiều hạt đang trôi trong một dòng chuyển động không nhất thiết giữ khoảng cách đều mãi mãi; một chỗ tập trung ban đầu có thể khiến thêm hạt nhập vào. So sánh ấy chỉ giúp hình dung xu hướng dồn tụ, còn mô phỏng thiên văn phải theo dõi đồng thời chuyển động của khí, bụi và tác động hấp dẫn. Điều đáng chú ý là môi trường AGN không cần sao chép một hệ sao thông thường. Chỉ cần các điều kiện trong vùng bụi cho phép cùng cơ chế tập trung hạt hoạt động, một con đường tạo vật thể lớn đã xuất hiện. [1]

Chúng có thực sự là hành tinh không?

Tên gọi vẫn là một vấn đề chưa hoàn toàn thống nhất. Nhóm phản biện bài báo từng phản đối việc gọi những vật thể này là hành tinh, bởi chúng không hình thành trong đĩa quanh một ngôi sao như định nghĩa quen thuộc. Lyra đề xuất tên “blanet”, ghép từ black hole và planet, nhưng cách gọi đó chưa được dùng rộng rãi. Vì vậy, mô tả thận trọng hơn là “vật thể có khối lượng hành tinh”. Cách gọi này phản ánh điều mô phỏng cho biết về khối lượng mà chưa mặc nhiên xếp chúng vào cùng nhóm với Trái Đất hay Sao Mộc. [1]

Ranh giới còn mờ hơn vì các vật thể giả định có thể tiếp tục thu nhận vật chất. Một số có thể vượt khỏi miền khối lượng thường gắn với hành tinh để trở thành sao lùn nâu, tức những thiên thể lớn hơn hành tinh điển hình nhưng không đủ khối lượng để duy trì phản ứng nhiệt hạch và tỏa sáng như sao. Mô phỏng còn cho phép khả năng một phần trong số đó tăng trưởng thành sao thực sự. Bởi vậy, đĩa bụi quanh AGN có thể không chỉ tạo ra một loại thiên thể, mà mở đầu cho nhiều hướng phát triển tùy lượng vật chất mỗi mầm thu được. [1]

Vì sao có thể xuất hiện tới khoảng một triệu vật thể?

Ước tính trong nghiên cứu cho rằng khoảng một triệu vật thể có thể hình thành trong một giai đoạn hoạt động của AGN, thường kéo dài khoảng hai triệu năm. Đây là kết quả mô hình hóa, không phải số hành tinh đã được quan sát quanh một lỗ đen cụ thể. Một lỗ đen có thể trải qua nhiều giai đoạn hoạt động trong vòng đời, nên tổng số vật thể từng hình thành về lý thuyết còn có thể lớn hơn. Tuy nhiên, con số ấy không đồng nghĩa tất cả cùng tồn tại bền vững hoặc đều giữ nguyên trạng thái hành tinh. [1]

Một phần các vật thể có thể bị lực hấp dẫn làm dịch chuyển dần vào phía trong. Càng đến gần lỗ đen, chúng càng tiến vào vùng có nhiệt độ quá cao và có thể bị phá hủy, trả vật chất trở lại thành bụi. Như vậy, hệ thống giả định không phải một bộ sưu tập hành tinh ổn định, mà là một chu trình hình thành, tăng trưởng, di chuyển và tan rã. Các vật thể cũng có thể xuất hiện theo cặp gồm hai thành viên có khối lượng gần nhau quay quanh nhau, thay vì cấu trúc một hành tinh lớn đi kèm một vệ tinh nhỏ. [1]

Làm sao biết những thế giới này có tồn tại?

Hiện chưa có vật thể nào thuộc nhóm này được phát hiện trực tiếp. Phương pháp vận tốc xuyên tâm, vốn tìm dao động nhỏ của một ngôi sao do hành tinh gây ra, khó áp dụng vì lỗ đen trung tâm quá nặng. Phương pháp quá cảnh cũng gặp trở ngại: ngay cả một vật thể lớn vẫn rất nhỏ khi đặt trước toàn bộ vùng sáng rộng của đĩa bồi tụ, trong khi bản thân lỗ đen không phát sáng để làm nền. Nhiễu từ môi trường phức tạp quanh AGN càng khiến tín hiệu hành tinh khó tách riêng. [1]

Vi thấu kính hấp dẫn là một khả năng khác, bởi khối lượng của vật thể có thể làm biến dạng ánh sáng truyền qua vùng lân cận. Tuy nhiên, cách này cần sự thẳng hàng thuận lợi và có thể phải dựa vào nhiều vật thể quanh cùng một lỗ đen mới tạo được tín hiệu đủ mạnh. Vì thế, mô phỏng năm 2026 mới trả lời được câu hỏi “có thể hình thành hay không” ở cấp độ lý thuyết, chưa chứng minh một quần thể đã tồn tại. Bí ẩn còn lại không chỉ là tìm ra chúng, mà còn là xác định nên gọi một thiên thể sinh ra bên rìa đĩa bồi tụ bằng cái tên nào. [1]