Những 'quái vật' lớn nhất vũ trụ được sinh ra như thế nào?

Khoảng 13 tỷ năm trước, khi vũ trụ vẫn chỉ là mớ hỗn độn, các lỗ đen siêu lớn đã xuất hiện.

Giới thiên văn ngày nay vẫn có thể nhìn thấy tàn tích các lỗ đen này khi quan sát quasar - những thiên thể cực kỳ to lớn, sáng chói được cho là lấy năng lượng từ các lỗ đen lớn gấp hàng tỷ lần so với Mặt trời của Trái Đất.

Hình ảnh minh hoạ một quasar với nguồn năng lượng là hố đen ở trung tâm. Ảnh: NASA.

Sự tồn tại của chúng đặt ra vấn đề. Nhiều quasar dường như sinh ra từ 800 triệu năm đầu tiên của vũ trụ, rất lâu trước khi bất kỳ ngôi sao nào có thể phát triển đủ lớn để sụp đổ, phát nổ trong vụ nổ sao và tạo thành một lỗ đen.

Vậy, những lỗ đen khổng lồ đến từ đâu? Theo một lý thuyết phổ biến, có lẽ là từ rất nhiều khí.

Cách một con 'quái vật' ra đời

Trong nghiên cứu được xuất bản trên Astrophysical Journal Letters, các nhà nghiên cứu đã chạy mô hình máy tính cho thấy một số lỗ đen siêu lớn trong vũ trụ sơ khai có thể được hình thành từ các đám mây khí khổng lồ bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn.

Các nhà nghiên cứu phát hiện, trong vài trăm triệu năm, một đám mây đủ lớn như vậy có thể sụp đổ dưới khối lượng của chính nó, tạo ra lỗ đen nhỏ mà không cần vụ nổ sao nào.

Những đối tượng lý thuyết này được gọi là lỗ đen sụp đổ trực tiếp (direct collapse black holes - DCBH). Theo chuyên gia về lỗ đen Chaianu Basu, tác giả chính của nghiên cứu và nhà vật lý thiên văn tại Đại học Western, London là Ontario, một trong những đặc điểm xác định DCBH là chúng phải hình thành rất nhanh trong khoảng thời gian rất ngắn của vũ trụ sơ khai.

Quasar là vật thể giống sao cực xa và cực sáng, với dịch chuyển đỏ rất lớn đặc trưng. Ảnh: Extremetech.

"Các lỗ đen được hình thành và phát triển trong khoảng thời gian chỉ khoảng 150 triệu năm", Basu nói. "Cũng trong thời gian này, các lỗ đen có thể tăng khối lượng lên gấp 10.000 lần".

Làm thế nào để một đám mây khí trở thành lỗ đen? Theo một nghiên cứu năm 2017, sự biến đổi như vậy đòi hỏi hai thiên hà khác nhau: Một thiên hà có nhiều ngôi sao trẻ và thiên hà còn lại chỉ có khí.

Tàn tích thuở ban sơ vũ trụ

"Khi các ngôi sao mới hình thành trong thiên hà nhiều sao trẻ, chúng phát ra luồng bức xạ nóng liên tục quét qua thiên hà lân cận, ngăn không cho khí ở đó kết lại thành các ngôi sao. Trong vòng vài trăm triệu năm, đám mây khí đó có thể tích tụ rất nhiều vật chất đến nỗi tự sụp đổ dưới sức nặng chính nó, tạo thành lỗ đen mà không cần đến ngôi sao nào phát nổ", Basu cho biết.

Chẳng mấy chốc, lỗ đen "hạt giống" này có thể tiếp tục đạt đến trạng thái siêu lớn bằng cách nuốt chửng vật chất từ tinh vân gần đó. Từ đó, nó sinh ra các quasar khổng lồ mà chúng ta thấy ngày nay.

Theo Basu, hiện tượng này chỉ có thể xảy ra trong thời gian ngắn, khoảng 800 triệu năm đầu tiên của vũ trụ, trước khi không gian trở nên đông đúc với các ngôi sao và lỗ đen khác.

Trong vòng 1 tỷ năm sau Big Bang, có thể đã có quá nhiều bức xạ nền trong vũ trụ đến nỗi một lỗ đen siêu lớn sẽ rất khó hình thành vì không đủ khí để hút và tiếp tục tăng trưởng theo cấp số nhân.

Năm 2009, ngôi sao khổng lồ N6946-BH1 sáng hơn 1 triệu lần so với Mặt trời được tìm thấy. Năm 2015, nó biến mất không một dấu vết. Các nhà thiên văn học cho rằng đây là bằng chứng hiếm hoi về một ngôi sao sụp đổ vào lỗ đen mà không phát nổ thành siêu tân tinh. Ảnh: NASA.

Trong khi các DCBH vẫn còn là lý thuyết, một số nhà thiên văn học cho rằng Kính viễn vọng Không gian Hubble có thể đã thực sự bắt được một vật thể như vậy vào năm 2017.

Theo các tác giả của nghiên cứu khác cùng năm về chủ đề này, một ngôi sao khổng lồ đã biến mất mà không hề có vụ nổ sao nào. Cách giải thích tốt nhất là ngôi sao khổng lồ đã sụp đổ thành một lỗ đen mà không có bất kỳ vụ nổ nào.

Một nghiên cứu năm 2017 cũng cho thấy khoảng 1 trong 7 (14%) ngôi sao lớn biến thành hố đen mà không phát nổ.