JWST phát hiện nhiều lỗ đen đến bất ngờ

Tháng 8 năm ngoái, nhà vật lý thiên văn Dale Kocevski đã đăng một bản thảo lên arXiv dự đoán những gì JWST có thể tiết lộ về lỗ đen, dựa trên dữ liệu sơ bộ từ kính viễn vọng này. Bài báo, hiện đã được bình duyệt và xuất bản chính thức trên The Astrophysical Journal Letters, cho rằng JWST sẽ không cách mạng hóa cách con người hiểu về lỗ đen. “Đến nay dự đoán đó đã được chứng minh là hoàn toàn sai", Kocevski, hiện đang làm việc tại Colby College (Mỹ), nói.

Chỉ vài tuần sau khi bài báo xuất bản, hàng loạt bản thảo phân tích dữ liệu JWST cho thấy trong vũ trụ xa, đồng nghĩa với buổi bình minh của vũ trụ vì vũ trụ liên tục giãn nở, có nhiều lỗ đen hơn hẳn so với những ước tính trước đây. Sức mạnh quan sát chưa từng có của JWST đã giúp phát hiện những lỗ đen mờ nhạt ở xa. “Kính viễn vọng này đang nghiên cứu những phần của vũ trụ mà con người chưa từng quan sát được do giới hạn công nghệ", Rebecca Larson, nhà vật lý thiên văn tại Viện Công nghệ Rochester, New York, nói.

Các nghiên cứu về lỗ đen của JWST vẫn đang ở giai đoạn đầu, nhưng trong tương lai sẽ giúp giải đáp nhiều bí ẩn lâu nay về lỗ đen, chẳng hạn như cách chúng hình thành sớm trong lịch sử vũ trụ và phát triển nhanh chóng thành "máy hút", hấp thụ mọi thứ xung quanh.

Kính viễn vọng không thể nhìn thấy bản thân các lỗ đen vì lực hấp dẫn của chúng lớn đến mức ánh sáng không thoát ra được. Lỗ đen "bị lộ" bởi khí siêu nóng xoắn ốc xung quanh, có hình dạng giống xoáy nước trước khi chảy xuống lỗ cống, hình thành do vật chất bị ma sát trên đường đi vào lỗ đen.

Trước JWST, các nhà thiên văn học đã nghiên cứu lỗ đen bằng nhiều loại kính viễn vọng trong không gian và trên mặt đất. Nhưng những thiết bị đó chỉ có thể phát hiện ra những lỗ đen sáng nhất và tương đối gần Trái đất. JWST được thiết kế để nhìn thấy ánh sáng phát ra từ vũ trụ xa, và có thể nhìn thấy các lỗ đen nằm ở xa hơn, hình thành sớm hơn, đến mức các nhà thiên văn học từng cho rằng quá mờ nhạt để có thể phát hiện.

Một đại lượng dùng để đo khoảng cách trong vũ trụ là dịch chuyển đỏ. Ánh sáng càng đi xa càng chuyển sang sắc đỏ, vì thế một vật thể có độ dịch chuyển đỏ càng cao có nghĩa là nó càng ở xa và càng xuất hiện sớm trong lịch sử của vũ trụ. Nhiều lỗ đen JWST mới phát hiện nằm ở độ dịch chuyển đỏ từ 4-6, tương ứng với thời điểm vũ trụ khoảng 1-1,5 tỷ năm tuổi. Cho đến nay, số lỗ đen ở mức dịch chuyển đỏ này mà JWST phát hiện ra nhiều gấp 10 lần so với dự đoán trước đây dựa trên số lượng lỗ đen đã biết. Các nhà thiên văn vẫn chưa hiểu nguyên nhân vũ trụ sơ khai có nhiều lỗ đen như vậy, theo Kohei Inayoshi, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Bắc Kinh.

JWST còn phát hiện những lỗ đen xa nhất từng thấy. Một trong số đó là lỗ đen nằm ở trung tâm thiên hà GN-z11, với độ dịch chuyển đỏ là 10,6. Điều này cho thấy các lỗ đen đã manh nha hình thành ngay từ 400 triệu năm sau Vụ nổ lớn để rồi trở thành những vật thể siêu lớn. Hannah Übler, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Cambridge, Vương quốc Anh, cho biết các quan sát sắp tới sẽ phân tích cách khí siêu nóng chạy xung quanh lỗ đen trung tâm GN-z11, cho thấy cách lỗ đen ảnh hưởng đến không gian xung quanh nó.

JWST cũng phát hiện một lỗ đen ở độ dịch chuyển đỏ 8,7, ở trung tâm thiên hà CEERS 1019. Chưa rõ bằng cách nào lỗ đen này đã tích lũy được khối lượng gấp 9 triệu lần Mặt trời chỉ trong 570 triệu năm đầu tiên của vũ trụ.

Những khám phá của JWST về các lỗ đen trong vũ trụ xa và hình thành sớm như vậy phù hợp với những mô phỏng gần đây về sự ra đời của các lỗ đen sơ khai, theo Raffaella Schneider, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Sapienza (Ý). Cô và các đồng nghiệp đã phát hiện các lỗ đen lớn có thể hình thành trong vũ trụ sơ khai nếu chúng "ăn" khí với tốc độ cực nhanh trong giai đoạn đầu đời. Tốc độ này vượt quá tốc độ phát triển tối đa của lỗ đen theo các lý thuyết hiện nay. Các quan sát của JWST gợi ý rằng một số lỗ đen, chẳng hạn như GN-z11, đã phát triển theo cách ăn khí với tốc độ cực nhanh, và các nhà thiên văn học có thể cần xem xét lại các lý thuyết.

Đối với Priyamvada Natarajan, nhà vật lý thiên văn ở Đại học Yale, New Haven, Connecticut, hành trình khám phá lỗ đen mới chỉ bắt đầu. “Đây là các phát hiện ở rất sớm, và sẽ còn nhiều khám phá về sau", Natarajan nói.