Kính viễn vọng Webb phát hiện lỗ đen cổ xưa nhất, phá vỡ kỷ lục vũ trụ

Nhóm nghiên cứu quốc tế do Trung tâm Biên giới Vũ trụ thuộc Đại học Texas tại Austin dẫn đầu đã xác nhận lỗ đen này nằm trong thiên hà CAPERS-LRD-z9, hình thành chỉ 500 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn. Nói cách khác, ánh sáng mà chúng ta quan sát được đã mất 13,3 tỷ năm để đến Trái Đất, phản ánh thời điểm vũ trụ mới đạt khoảng 3% tuổi hiện tại.

Anthony Taylor, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Trung tâm Biên giới Vũ trụ, đồng thời là trưởng nhóm phát hiện, cho biết: “Khi tìm kiếm lỗ đen, đây gần như là khoảng cách xa nhất mà bạn có thể thực hiện. Chúng tôi thực sự đang mở rộng giới hạn của công nghệ hiện tại.” Nghiên cứu của nhóm đã được công bố ngày 6 tháng 8 trên Tạp chí Vật lý Thiên văn.

Steven Finkelstein, Giám đốc Trung tâm Biên giới Vũ trụ và đồng tác giả, nhấn mạnh: “Các nhà thiên văn học từng tìm thấy nhiều ứng cử viên xa hơn, nhưng vẫn chưa phát hiện được dấu hiệu quang phổ riêng biệt khẳng định sự tồn tại của lỗ đen.”

Minh họa CAPERS-LRD-z9, nơi có hố đen đầu tiên được xác nhận. Hố đen siêu khối lượng ở trung tâm được cho là được bao quanh bởi một đám mây khí dày, tạo cho thiên hà một màu đỏ đặc trưng. Nguồn: Erik Zumalt, Đại học Texas tại Austin.

Quang phổ học và dấu vết của lỗ đen

Bằng kỹ thuật quang phổ học, các nhà khoa học tách ánh sáng thành nhiều bước sóng để phân tích. Lỗ đen được nhận diện qua bằng chứng khí chuyển động cực nhanh: ánh sáng từ khí di chuyển ra xa bị kéo giãn thành bước sóng đỏ, trong khi ánh sáng từ khí di chuyển về phía Trái Đất bị nén thành bước sóng xanh. “Không có nhiều hiện tượng khác tạo ra tín hiệu này. Và thiên hà này có nó,” Taylor khẳng định.

Nguồn dữ liệu được lấy từ chương trình CAPERS (Khảo sát Kỷ nguyên Tái ion hóa Lăng kính Diện tích CANDELS) của Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST). Được phóng năm 2021, JWST cung cấp những quan sát sâu nhất về vũ trụ, đặc biệt ở rìa xa xôi.

Mark Dickinson, trưởng nhóm CAPERS, cho biết: “Mục tiêu đầu tiên của CAPERS là xác nhận và nghiên cứu các thiên hà xa nhất. Phổ kế JWST chính là chìa khóa để xác nhận khoảng cách và đặc tính vật lý của chúng.”

CAPERS-LRD-z9, ban đầu chỉ là một chấm sáng trong hình ảnh, sau đó được xác định thuộc nhóm thiên hà mới gọi là “Những chấm đỏ nhỏ” (Little Red Dots). Các thiên hà này hình thành trong 1,5 tỷ năm đầu tiên của vũ trụ, có kích thước nhỏ gọn, màu đỏ đậm và sáng bất thường.

Sáng rực và khối lượng khổng lồ

Theo các nhà khoa học, CAPERS-LRD-z9 củng cố giả thuyết rằng lỗ đen siêu lớn chính là nguồn sáng mạnh mẽ trong các “Chấm đỏ nhỏ”. Thông thường, độ sáng như vậy gợi ý sự hiện diện dày đặc của các ngôi sao, song trong giai đoạn sớm này, việc hình thành lượng sao lớn đến thế là không thể. Ngược lại, lỗ đen khi nuốt vật chất sẽ tỏa ra ánh sáng và năng lượng khổng lồ.

Đặc biệt, lỗ đen trong CAPERS-LRD-z9 có khối lượng gấp 300 triệu lần Mặt Trời, chiếm một nửa tổng khối lượng sao trong toàn bộ thiên hà. Đây là con số khổng lồ, ngay cả trong nhóm lỗ đen siêu lớn. “Phát hiện này bổ sung thêm bằng chứng rằng các lỗ đen sơ khai phát triển nhanh hơn nhiều so với dự đoán, hoặc ban đầu chúng đã có khối lượng lớn hơn đáng kể,” Finkelstein nhận định.

Ngoài ra, màu đỏ đặc trưng của “Chấm đỏ nhỏ” có thể bắt nguồn từ những đám mây khí dày đặc bao quanh lỗ đen, làm lệch ánh sáng sang bước sóng đỏ. Taylor cho biết: “Chúng tôi từng quan sát thấy hiện tượng này ở các thiên hà khác, và CAPERS-LRD-z9 có những đặc điểm hoàn toàn tương đồng.”

Hướng nghiên cứu mới cho JWST

Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tiếp tục quan sát CAPERS-LRD-z9 với độ phân giải cao hơn bằng JWST để làm rõ vai trò của lỗ đen trong sự hình thành và tiến hóa của “Chấm đỏ nhỏ”. “Đây là một đối tượng thử nghiệm lý tưởng. Trước đây, chúng ta chưa thể nghiên cứu trực tiếp quá trình hình thành lỗ đen từ thuở sơ khai của vũ trụ. Giờ đây, chúng ta đã có cơ hội đó,” Taylor nhấn mạnh.

Phát hiện này không chỉ lập kỷ lục vũ trụ về lỗ đen xa nhất, mà còn mở ra cánh cửa mới giúp giới khoa học giải mã cách những cấu trúc khổng lồ hình thành chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ Nổ Lớn.