Mô phỏng hé lộ tốc độ tăng trưởng của các lỗ đen có thể ẩn sau Little Red Dots

Trong ảnh của Kính không gian James Webb, Little Red Dots hiện lên như một quần thể vật thể nhỏ, đỏ đậm và chưa rõ bản chất. Một mô phỏng mới đưa ra lời giải khả dĩ: đó có thể là các lỗ đen trong vũ trụ sơ khai, sinh ra với “mầm” lớn rồi được nuôi bởi khí dày đặc. Trong điều kiện ấy, chúng có thể tăng trưởng nhanh gấp hàng chục lần mức khả dĩ đối với lỗ đen ngày nay. Tuy nhiên, con số này là kết quả của mô hình, không phải tốc độ được đo trực tiếp từ từng chấm đỏ. [1]

Webb thực sự nhìn thấy điều gì?

Điều được quan sát trước hết là một quần thể vật thể rất nhỏ và rất đỏ trong dữ liệu của Webb. Tên gọi Little Red Dots, nghĩa là “những chấm đỏ nhỏ”, mô tả dáng vẻ của chúng chứ chưa xác định chúng là sao, thiên hà hay lỗ đen. Vì vậy, màu sắc và kích thước biểu kiến mới là dấu vết cần giải thích, chưa phải câu trả lời về cấu tạo bên trong. [1]

Khoảng cách lớn khiến việc quan sát các vật thể này đồng thời là nhìn ngược về quá khứ. Ánh sáng phải mất thời gian rất dài mới tới Trái Đất, nên Webb đang ghi lại chúng ở một giai đoạn trẻ của vũ trụ. Chính bối cảnh sớm ấy quan trọng: mô hình đề xuất rằng môi trường khi đó cho phép một con đường hình thành và tăng trưởng lỗ đen khó xảy ra trong vũ trụ hiện đại. [1]

Một mầm lỗ đen lớn có thể hình thành ra sao?

Chuỗi sự kiện trong mô phỏng bắt đầu bằng bức xạ tử ngoại xa, hay FUV, từ các thiên hà lân cận chiếu vào một số mây khí. Cường độ bức xạ cực mạnh có thể cản trở quá trình tạo ra nhiều ngôi sao thông thường. Thay vì phân chia thành nhiều phần nhỏ, đám khí trong mô hình tiếp tục co sụp theo một hướng tập trung hơn. [1]

Kết quả là mây khí có thể tạo thành một ngôi sao siêu nặng duy nhất. Khi ngôi sao khổng lồ ấy sụp đổ, nó để lại một mầm lỗ đen có khối lượng ban đầu lớn. Điểm đáng chú ý nằm ở chữ “mầm”: nếu lỗ đen xuất phát từ một vật thể nặng hơn, nó không phải tích lũy toàn bộ khối lượng từ một điểm khởi đầu quá nhỏ. [1]

Có thể hình dung đây là hai bài toán nối tiếp nhau. Bài toán thứ nhất là tạo được một điểm xuất phát đủ lớn; bài toán thứ hai là duy trì nguồn vật chất để điểm xuất phát ấy tiếp tục tăng trưởng. Mô phỏng không chỉ đề xuất cách hình thành mầm mà còn theo dõi môi trường khí bao quanh sau đó. [1]

Vì sao lỗ đen có thể lớn nhanh bất thường?

Sau khi mầm lỗ đen hình thành, mô phỏng cho thấy quanh nó xuất hiện một đĩa khí dày và đậm đặc. Khí trong đĩa là nguồn vật chất mà lỗ đen có thể hút vào. Đồng thời, môi trường dày này giữ lại bức xạ, nhờ đó vật chất tiếp tục rơi vào lỗ đen hiệu quả hơn so với những điều kiện phổ biến trong vũ trụ ngày nay. [1]

Trong các điều kiện được mô phỏng, tốc độ tăng trưởng có thể cao hơn hàng chục lần mức mà lỗ đen hiện đại có thể đạt được. Đây là so sánh giữa hai môi trường vật lý trong mô hình, không có nghĩa mọi Little Red Dot đều tăng khối lượng với cùng một hệ số. Bản tóm tắt nghiên cứu cũng không nêu một tốc độ tuyệt đối áp dụng chung cho cả quần thể. [1]

Cơ chế này ghép hai lợi thế vào cùng một quá trình: lỗ đen bắt đầu với mầm lớn và sau đó được cấp khí rất mạnh. Chỉ tăng tốc ở giai đoạn sau có thể chưa đủ nếu điểm xuất phát quá nhỏ; ngược lại, một mầm lớn cũng khó tiến xa nếu sớm thiếu vật chất. Sự kết hợp mới là phần giúp mô hình giải thích quá trình tăng khối lượng nhanh. [1]

Mô phỏng liên hệ với Little Red Dots thế nào?

Nhóm do Sunmyon Chon dẫn đầu sử dụng siêu máy tính ATERUI III tại Đài thiên văn Quốc gia Nhật Bản. Mô phỏng khởi đầu ở quy mô một thiên hà trẻ, rồi tăng dần độ chi tiết để tập trung vào các vùng nhỏ hơn, cuối cùng tới từng mây khí. Cách tiếp cận này nhằm nối hoàn cảnh vũ trụ rộng lớn với quá trình diễn ra quanh nơi hình thành lỗ đen. [1]

Các lỗ đen hình thành trong mô phỏng có những đặc điểm gần với Little Red Dots mà Webb quan sát. Sự tương đồng cho thấy giả thuyết lỗ đen tăng trưởng nhanh có thể tái tạo được hiện tượng mà không cần viện tới một quy luật vật lý khác thường. Nó cũng gợi ý vì sao Webb phát hiện nhiều chấm đỏ: các điều kiện cần thiết có thể phát sinh tự nhiên trong vũ trụ trẻ. [1]

Dù vậy, sự giống nhau giữa kết quả mô phỏng và quan sát chỉ cho biết kịch bản này đáng được xem xét. Mô phỏng trả lời câu hỏi “những điều kiện đã biết có thể tạo ra vật thể như vậy hay không”, còn việc xác định một Little Red Dot cụ thể là gì vẫn phụ thuộc vào những dấu hiệu quan sát của chính vật thể đó. [1]

Giả thuyết này giải quyết câu đố nào?

Các nhà thiên văn từ lâu phải giải thích vì sao những lỗ đen có khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần Mặt Trời đã tồn tại khi vũ trụ chưa đầy 600 triệu năm tuổi. Khoảng thời gian ngắn đặt ra khó khăn rõ ràng: lỗ đen phải có điểm xuất phát phù hợp và thu nhận đủ vật chất rất sớm. Kịch bản ngôi sao siêu nặng cùng đĩa khí dày cung cấp cả hai điều kiện đó trong một chuỗi thống nhất. [1]

Bởi vậy, giá trị của Little Red Dots không chỉ nằm ở màu đỏ bí ẩn. Nếu cách giải thích từ mô phỏng là đúng, chúng có thể ghi lại một giai đoạn lỗ đen đang tăng trưởng cực nhanh, trước khi trở thành những vật thể khổng lồ của vũ trụ sơ khai. Điều Webb phát hiện khi ấy không phải lời giải hoàn tất, mà là một quần thể có thể nối điểm khởi đầu của lỗ đen với sự xuất hiện sớm của các lỗ đen siêu nặng. [1]