Các lỗ đen siêu khối lượng hình thành từ vật chất tối?

Bức vẽ về một thiên hà xoắn được bao bọc trong một vùng quầng vật chất tối rộng lớn. Nguồn: ESO/L. Calçada, CC BY 4.0

Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã tìm ra các kịch bản tiêu chuẩn hình thành lỗ đen siêu khối lượng, bao gồm cả vật chất thông thường, các lỗ đen đó có thể hình thành một cách trực tiếp từ vật chất tối trong các vùng có mật độ cao ở trung tâm các thiên hà. Kết quả có những gợi ý quan trọng cho vũ trụ trong thời kỳ vũ trụ sớm và xuất bản trên tạp chíMonthly Notices of the Royal Astronomical Society “On the formation and stability of fermionic dark matter haloes in a cosmological framework” (Về sự hình thành và tính ổn định của các quầng vật chất tối ferrmion trong một khung vũ trụ).

Việc ban đầu các lỗ đen siêu khối lượng được hình thành chính xác như thế nào là một trong những vấn đề lớn nhất của nghiên cứu về tiến hóa thiên hà ngày nay. Các lỗ đen siêu khối lượng từng được quan sát ở vào khoảng 800 triệu năm sau Big Bang, và cách chúng có thể phát triển hơn nữa vẫn còn là điều chưa thể giải thích được.

Các mô hình hình thành tiêu chuẩn bao gồm vật chất baryon thông thường – những nguyên tử và nguyên tố tạo thành các ngôi sao, các hành tinh và tất cả những vật thể hữu hình – suy sụp dưới tác động của hấp dẫn để hình thành những lỗ đen, vốn lớn lên theo thời gian. Tuy nhiên nghiên cứu mới đã tìm hiểu sự tồn tại có thể ở các lõi hành tinh được tạo thành từ vật chất tối, và được một quầng vật chất tối loãng bao quanh, tìm ra là những trung tâm của các cấu trúc đó có thể trở nên đậm đặc đến mức chúng có thể suy sụp thành các lỗ đen siêu khối lượng một khi chạm tới ngưỡng tới hạn.

Theo mô hình mà họ sử dụng, điều này có thể xảy ra nhanh hơn nhiều so với những cơ chế hình thành khác, và có thể cho phép các lỗ đen siêu khối lượng trong thời kỳ vũ trụ sớm hình thành trước cả các thiên hà bao bọc chúng, đối lập với cách hiểu hiện nay.

Carlos R. Argüelles, một nhà nghiên cứu tại trường đại học quốc gia de La Plata và ICRANet, người phụ trách nghiên cứu, bình luận: “Kịch bản hình thành này có thể đề xuất một cách giải thích tự nhiên về cách các lỗ đen siêu khối lượng trong thời kỳ vũ trụ sớm, không cần đòi hỏi sự hình thành sao trước đó hoặc cần đến việc ‘ươm mầm’ các lỗ đen trong vũ trụ sớm với những tốc độ bồi đắp không thực tế”.

Một kết quả hấp dẫn khác của mô hình mới là kích thước tới hạn để suy sụp thành lỗ đen có thể không chạm đến các quầng vật chất tối nhỏ nhất, ví dụ những thứ bao quanh một số thiên hà lùn. Các tác giả đề xuất là nó sau đó có thể rời các thiên hà lùn nhỏ hơn với một hạt nhân vật chất tối trung tâm hơn là lỗ đen được chờ đợi. Như một lõi vật chất tối có thể bắt chước các tín hiệu hấp dẫn của một lỗ đen trung tâm thông thường, trong khi vật chất tối bên ngoài quầng có thể giải thích đường cong quay của thiên hà quan sát được.

“Mô hình đó chứng tỏ cách các quầng vật chất tối có thể là nơi tập hợp những thứ đậm đặc trong trung tâm của chúng, vốn có thể đóng một vai trò chủ đạo trong việc giúp hiểu về sự hình thành của các lỗ đen siêu khối lượng”, Argüelles nói.

“Lần đầu tiên chúng tôi đã chứng minh được những phân bố vật chất tối lõi quầng có thể thậm chí hình thành trong một khung vũ trụ và vẫn còn ổn định trong suốt thời gian tồn tại của vũ trụ này”.

Các tác giả hi vọng là các nghiên cứu tiếp theo sẽ rọi ánh sáng vào sự hình thành lỗ đen siêu khối lượng trong những ngày ban đầu của vũ trụ chúng ta cũng như tìm hiểu liệu những trung tâm của các thiên hà không hoạt động, bao gồm cả dải Ngân hà của chúng ta, có thể đóng vai trò vật chủ với các lõi vật chất tối đậm đặc không.