[비즈한국] Kể từ khi kính viễn vọng không gian James Webb được đưa vào hoạt động, một thực thể mới đã trở thành bí ẩn đối với giới thiên văn học. Đó chính là những chấm đỏ nhỏ, hay còn gọi là Little Red Dots (LRD). Trong mọi bức ảnh mà James Webb chụp được, ở khắp mọi ngóc ngách đều xuất hiện những chấm đỏ mờ nhạt nhưng rõ nét. Chúng quá xa, quá nhỏ và quá đỏ. LRD thường được tìm thấy ở những vùng vũ trụ rất xa xưa, khi vũ trụ chỉ mới khoảng 1 tỷ năm tuổi.
Kích thước của chúng thực sự rất nhỏ, thậm chí có trường hợp chỉ trông như rộng vài trăm năm ánh sáng. Những đặc điểm này khiến LRD khó có thể được coi là những thiên hà non trẻ của vũ trụ sơ khai. Vì vậy, các nhà thiên văn học bắt đầu đưa ra những giả thuyết rất kịch tính và đa dạng để giải thích về những LRD đầy thách thức này. Từ giả thuyết tương đối phổ thông cho rằng đây là những thiên hà hoạt động bị bao phủ bởi bụi dày đặc, cho đến khả năng chúng là những hố đen nguyên thủy siêu khổng lồ được hình thành từ sự sụp đổ đột ngột của các đám khí khổng lồ trong vũ trụ sơ khai. Thậm chí, khái niệm "hố đen sao" (black hole star) - nơi một hố đen ẩn mình trong lòng một ngôi sao khổng lồ - cũng đã được đề xuất. Tuy nhiên, chưa có giả thuyết nào giải thích được một cách hoàn hảo.
Nếu LRD là một thiên hà đầy sao, thì các ngôi sao bên trong đó phải tập trung với mật độ dày đặc đến mức phi lý. Chỉ trong quy mô vài trăm năm ánh sáng, nó phải chứa đựng số lượng sao tương đương với Dải Ngân hà của chúng ta. Việc cho rằng có một hố đen hoạt động ở trung tâm LRD cũng rất mơ hồ, bởi tia X - thứ lẽ ra phải xuất hiện nếu là một hố đen đang tăng trưởng nhanh - lại không được phát hiện. LRD có màu đỏ rất rõ nét, nhưng dường như lại có rất ít bụi và tia X.
Lý do lớn nhất khiến việc xác định bản chất của LRD trở nên khó khăn là vì rất khó để biết chính xác hố đen ở trung tâm chúng nặng bao nhiêu. Chỉ khi biết được hố đen bên trong đó là hố đen siêu khối lượng thực sự, hay là hố đen khối lượng trung bình chưa phát triển đầy đủ, hoặc liệu có thực sự tồn tại hố đen ở đó hay không, chúng ta mới có thể nắm bắt được trạng thái chính xác của LRD.
Ở những thiên hà tương đối gần, người ta có thể đo khối lượng của hố đen. Nhìn vào quang phổ của thiên hà, chúng ta có thể thấy các vạch phát xạ rộng, cho thấy vật chất khí xung quanh hố đen đang chuyển động nhanh đến mức nào. Thông qua đó, có thể biết được trọng lực và khối lượng của hố đen. Trong vũ trụ gần, phương pháp này được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ liệu mối liên hệ này có thể áp dụng tương tự cho vũ trụ sơ khai, khi mà Big Bang chỉ mới xảy ra chưa đầy 1 tỷ năm hay không.
Quang phổ của LRD khác với các nhân thiên hà hoạt động thông thường. Do đó, một số nhà thiên văn học suy đoán rằng các vạch phát xạ của LRD có thể không phải do vật chất khí chuyển động nhanh thực sự gây ra, mà là một loại ảo giác do sự tán xạ khác của các electron diễn ra bên trong. Có thể hố đen thực tế không nặng đến vậy và vật chất khí xung quanh cũng chuyển động chậm hơn nhiều, nhưng do hiệu ứng tán xạ mà chúng ta chưa lưu tâm đến, các vạch phát xạ trên quang phổ bị giãn rộng quá mức, dẫn đến việc đánh giá quá cao khối lượng hố đen trung tâm lên tới 100 lần.
Sự nhầm lẫn này khiến chúng ta hiểu sai hoàn toàn về bản chất của LRD. Nếu đúng như vậy, trái với suy nghĩ ban đầu, LRD có thể là một nơi yên bình và nhẹ nhàng hơn nhiều. Không loại trừ khả năng đây không phải là những thiên thể huyền bí chứa hố đen nguyên thủy khổng lồ ở trung tâm, mà chỉ là những cụm sao dày đặc với mật độ hơi cao mà thôi.
Gần đây, cuối cùng đã có một nỗ lực nhằm đo lường "trực tiếp" khối lượng hố đen ẩn trong LRD. Nghiên cứu lần này không chỉ dựa vào các vạch phát xạ trên quang phổ để ước tính khối lượng hố đen. Thay vào đó, họ đã đo cách vật chất khí thực sự chuyển động ở trung tâm. Hiện trường của nỗ lực đáng kinh ngạc này là Abell 2744-QSO1, nằm xa phía sau cụm thiên hà Abell 2744, hay còn gọi là cụm thiên hà Pandora. Abell 2744 là một cụm thiên hà khổng lồ chứa vô số thiên hà và vật chất tối. Nhờ đó, nó bẻ cong ánh sáng của vũ trụ nền, đóng vai trò như một thấu kính khổng lồ tự nhiên. Đó chính là thấu kính hấp dẫn.
Nhờ thấu kính hấp dẫn cực đoan và tinh xảo, các hình ảnh ảo của QSO1 ở phía sau xuất hiện ở ba vị trí. Nơi này cho thấy diện mạo của vũ trụ khi mới chỉ 700 triệu năm tuổi. Thấu kính hấp dẫn giúp khuếch đại ánh sáng của những thiên thể tối vốn rất khó nhìn thấy do ở quá xa. Nó mở rộng ánh sáng của thiên thể sang phạm vi rộng hơn và làm méo mó chúng, kéo giãn chúng thành một hình thể có diện tích và kích thước thay vì chỉ là một chấm nhỏ. Nhờ đó, chúng ta có thể quan sát được quang phổ rõ nét hơn của QSO1 ở rất xa.
Thông qua thiết bị NIRSpec của James Webb, quang phổ vùng hồng ngoại đã được quan sát. Điều quan trọng ở đây là không chỉ lấy quang phổ tổng hợp từ toàn bộ ánh sáng của QSO1. Các nhà khoa học có thể quan sát một cách chi tiết hơn sự khác biệt của quang phổ tùy theo vị trí bên trong thiên thể. Qua đó, họ có thể vẽ ra một cách chi tiết vị trí của vật chất khí trong QSO1 đang chuyển động hướng về phía chúng ta hay ra xa, và tốc độ đó phân bố như thế nào trong không gian.
Đặc biệt, nghiên cứu lần này tập trung vào vạch Hα với các vạch phát xạ tương đối hẹp. Vạch phát xạ Hα của QSO1 lan tỏa trong phạm vi khoảng 600 năm ánh sáng. Họ đã xác định được tốc độ của khí chứa hydro thay đổi như thế nào khi đi từ trung tâm ra ngoại vi của QSO1. Đây chính là việc vẽ ra một loại đường cong quay, thể hiện sự thay đổi tốc độ quay từ tâm ra rìa của một thiên hà xa xôi!
Nếu là một cụm sao hoặc thiên hà với khí lan tỏa rộng, đường cong quay sẽ khá thoai thoải khi đi từ trung tâm thiên hà ra ngoài. Điều này là do khối lượng trung tâm phân bố trên một bán kính rộng. Dải Ngân hà của chúng ta cũng thuộc trường hợp này. Ngược lại, nếu hầu hết khối lượng tập trung tại một điểm ở trung tâm, tốc độ sẽ giảm đáng kể khi càng xa trung tâm. Trên thực tế, điều này giống như trong hệ Mặt trời nơi mọi khối lượng tập trung vào Mặt trời, tốc độ quỹ đạo giảm mạnh khi đi từ các hành tinh bên trong ra bên ngoài. Kiểu quay này được gọi là chuyển động kiểu Kepler.
Kết quả quan sát lần này cho thấy chuyển động của QSO1 phù hợp hơn với sự phân bố khối lượng tập trung tại một điểm ở trung tâm thay vì là một cụm sao lan tỏa. Tức là trường hợp có một hố đen rất nặng ở trung tâm là hợp lý hơn. Kết quả bổ sung phân tích chuyển động 3D tinh vi cho thấy kết luận rằng hố đen trung tâm nặng gấp khoảng 50 triệu lần khối lượng Mặt trời! Điều này thực sự khổng lồ! Sagittarius A* ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta nặng khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt trời. Nhưng hố đen mà QSO1 chứa đựng nặng hơn gấp 10 lần con số đó!
Điều này có nghĩa là một thiên hà nguyên thủy tồn tại từ rất xa xưa, khi vũ trụ mới chỉ 700 triệu tuổi, lại chứa đựng một hố đen lớn hơn nhiều so với Dải Ngân hà trưởng thành đã hơn chục tỷ năm tuổi của chúng ta! Đó là sự đảo ngược trong thứ bậc khối lượng của hố đen! Thật bối rối khi một thiên hà trẻ như vậy lại chứa một hố đen nặng gấp 10 lần chúng ta. Điều này đi ngược lại hoàn toàn với kỳ vọng bấy lâu nay rằng khi vũ trụ già đi, khối lượng các hố đen trong các thiên hà cũng sẽ tăng dần lên.
Trong QSO1, khối lượng riêng của các ngôi sao xung quanh hố đen cũng được đo riêng biệt. Kết quả là ngay cả khi tính toán một cách thận trọng nhất, khối lượng các ngôi sao cũng không vượt quá 20 triệu lần khối lượng Mặt trời. Tức là nếu QSO1 thực sự là một thiên thể chứa hố đen khổng lồ ở trung tâm và các ngôi sao quay xung quanh, thì hố đen ở trung tâm còn nặng gấp đôi tổng khối lượng của tất cả các ngôi sao xung quanh cộng lại.
Đây là một dạng thiên hà mà chúng ta chưa từng thấy trong vũ trụ gần. Cho dù hố đen trung tâm thiên hà có nặng đến đâu, so với tổng khối lượng thiên hà, tỷ trọng của nó vẫn rất nhỏ. Thông thường chỉ ở mức một phần nghìn. Thế nhưng trong QSO1, có vẻ như một hố đen nặng hơn cả tổng khối lượng các ngôi sao đang ẩn mình ở trung tâm. Điều này hoàn toàn nằm ngoài nhận thức thông thường của chúng ta.
Chúng ta nên nhìn nhận QSO1 đầy bối rối này như thế nào? Các nhà thiên văn học giải thích đây là một hố đen khổng lồ "trần trụi". Thông thường, chúng ta nhìn thấy hố đen bị chôn vùi ở trung tâm của các thiên hà chứa hàng trăm tỷ, hàng nghìn tỷ ngôi sao. Vì vậy, ta dễ nghĩ rằng các ngôi sao và bụi tụ lại trước, sau đó vật chất mới tiếp tục tập trung về trung tâm thiên hà và nhào nặn để tạo ra hố đen.
Tuy nhiên, sự tồn tại của QSO1 lại cho thấy khả năng hoàn toàn ngược lại. Có vẻ như hố đen đã có từ trước, còn các ngôi sao xung quanh vẫn chưa phát triển đầy đủ. Đây giống như trạng thái một thiên hà sơ sinh vừa mới hình thành hố đen, trước khi khoác lên mình chiếc áo lộng lẫy làm từ các ngôi sao. Vì thế, có lẽ nó đã lộ ra trạng thái trần trụi, chưa được khoác lên chiếc áo trang trí rực rỡ bởi hàng trăm tỷ, hàng nghìn tỷ ngôi sao.
Khó có thể biết được liệu QSO1 có phải là diện mạo phổ biến nhất đại diện cho vô số LRD hay chỉ là một trường hợp đặc biệt được tìm thấy tình cờ. Nếu trong tương lai, chúng ta may mắn nhận được sự trợ giúp từ các thấu kính hấp dẫn tinh xảo hơn đối với nhiều LRD hơn, chúng ta có thể thử các phân tích tương tự. Ít nhất là nếu chỉ nhìn vào QSO1, việc giải thích LRD là một cụm sao mật độ cao không chứa hố đen ở trung tâm là rất khó. Chuyển động của khí mà QSO1 thể hiện chỉ có thể giải thích được nếu một khối lượng khổng lồ tập trung tại gần như một điểm ở trung tâm.
Tuy nhiên, QSO1 vẫn chưa giải đáp được tất cả bí mật. Vẫn còn những điểm kỳ lạ tồn tại. Một hố đen khổng lồ như vậy lại có vẻ quá tĩnh lặng. Chỉ số Eddington được dùng để so sánh giữa mức độ nuốt chửng vật chất dữ dội theo lý thuyết và mức độ nuốt chửng thực tế hiện tại của hố đen. Hiện tại, tỷ lệ Eddington của QSO1 chỉ ở mức 0,01. Không xứng với tầm vóc của mình, nó chỉ ăn kiêng ở mức 1/100. Giống như một vận động viên hạng siêu nặng có cân nặng khủng lại chỉ nhấm nháp đúng một hạt ngô mỗi ngày. Điều này thực chất chẳng khác nào trạng thái ngủ đông.
Vậy thì câu hỏi đặt ra là, nếu cứ nhấm nháp vật chất như vậy thì nó đã lớn lên từ lúc nào? Nếu từ lúc mới sinh ra nó đã luôn ăn như bây giờ thì không thể nào đạt tới mức 50 triệu lần khối lượng Mặt trời chỉ trong vòng 700 triệu năm. Do đó, mặc dù hiện tại gần như đang nhịn ăn, nhưng ngay khi mới chào đời, nó hẳn đã phải trải qua những thời kỳ "ăn thả ga" dữ dội. Nếu không, thì ngay từ đầu một hạt giống (seed) khổng lồ đã phải được hình thành. Vấn đề cái gọi là "hạt giống nặng" (heavy seed) nảy sinh từ đây.
Hiện nay trong giới thiên văn học, hai giả thuyết đang va chạm nhau để giải thích về các hố đen khổng lồ trong vũ trụ sơ khai. Một là hố đen sụp đổ trực tiếp (Direct Collapse Black Hole). Giả thuyết này giải thích rằng các đám mây nguyên thủy khổng lồ trong vũ trụ sơ khai đã sụp đổ trực tiếp ngay lập tức mà không tạo ra bất kỳ ngôi sao nào, tạo ra một hố đen khổng lồ cùng một lúc. Trong trường hợp này, ngay từ đầu có thể tạo ra một hố đen hạt giống nặng từ 10.000 đến 1.000.000 lần khối lượng Mặt trời. Vì hố đen được sinh ra ở trạng thái "siêu nhân" ngay từ đầu, nên trong quá trình tăng trưởng sau đó không cần phải ăn uống dữ dội hàng ngày.
Tuy nhiên, giả thuyết hố đen sụp đổ trực tiếp cũng có giới hạn. Trong mô hình này, thường cần có ánh sáng tia cực tím mạnh xung quanh hố đen. Chỉ khi đó mới có thể ngăn cản sự hình thành sao bằng cách làm phân tán các khối bột nhào nhỏ xung quanh đang có ý định co lại và sụp đổ để trở thành sao, từ đó chỉ để lại duy nhất hố đen ở trung tâm. Thế nhưng, xung quanh QSO1 lại không thấy dấu vết của nguồn sáng tia cực tím mạnh như vậy. Không có dấu vết của các vụ nổ sao dữ dội hay bùng nổ tia cực tím vốn có thể đóng vai trò như thế trong quá khứ.
Một giả thuyết mang tính suy đoán hơn chính là hố đen nguyên thủy (Primordial Black Hole). Đó là các hố đen được hình thành trực tiếp từ các dao động mật độ của vũ trụ sơ khai khi chưa có gì tồn tại ngay sau Big Bang. Nhưng giả thuyết này cũng không hoàn hảo. Môi trường xung quanh QSO1 cho thấy thành phần hóa học thực sự nguyên thủy, gần như chỉ có hydro và heli. Hầu như không có nguyên tố nặng. Điều này cho thấy nó chưa từng bị "ô nhiễm" bởi việc các ngôi sao được sinh ra và các siêu tân tinh phát nổ ở xung quanh. Điều này củng cố mạnh mẽ mối quan hệ nhân quả rằng hố đen được sinh ra trước, còn các ngôi sao (thiên hà) được tạo ra sau.
Tuy nhiên, khối lượng hố đen mà QSO1 chứa đựng quá nặng. Nó vượt xa mức mà giả thuyết hố đen nguyên thủy thông thường có thể tái hiện. Cuối cùng, ngay cả khi theo giả thuyết hố đen nguyên thủy, để giải thích cho tầm vóc nặng nề gấp 50 triệu lần khối lượng Mặt trời, cần phải có sự tăng trưởng bão táp nhanh chóng và dữ dội sau khi hố đen được hình thành.
Việc phát hiện ra QSO1 cung cấp những manh mối quan trọng về bản chất của LRD vốn vẫn còn là ẩn số. Nhưng đồng thời, nó cũng để lại những bí ẩn khác. Hành trình tiến gần hơn đến quá khứ của vũ trụ ngay sau Big Bang bằng James Webb cũng giống như việc cuối cùng chúng ta cũng bắt đầu dùng xẻng đào đất trong khu rừng khổng lồ mang tên vũ trụ. Trước đây, chúng ta chỉ nhìn xuống khu rừng vũ trụ từ trên cao, ngắm nhìn vẻ đẹp của những chiếc lá lộ ra ngoài, và cùng lắm là chỉ chiêm ngưỡng những gì phô bày trên mặt đất mà thôi.
Cuối cùng, thông qua James Webb, chúng ta đã nhìn thấy mầm non nhỏ bé nhú lên từ mặt đất của khu rừng đó. Và chúng ta bắt đầu gạt bỏ lớp đất để gặp những hạt giống nhỏ màu đỏ nằm ngủ dưới đó, chính là LRD. Đối với những người chỉ biết đến hoa và cây cỏ mọc trên mặt đất như chúng ta, hạt giống dưới lòng đất hoàn toàn mới mẻ và lạ lẫm. Thật khó để hiểu được hạt giống nhỏ bé đó rốt cuộc từ đâu chui ra, và hạt giống nhỏ đó làm sao có thể tạo nên những bông hoa và cái cây khổng lồ như thế. Mặc dù vẫn là một sự tồn tại lạ lẫm và đầy bối rối, nhưng giờ đây chúng ta đã mang hạt giống nhỏ đó gieo vào lòng mình và bắt đầu nuôi dưỡng những mầm non của vũ trụ học mới.
Tham khảo
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10579-4
https://academic.oup.com/mnras/article/548/1/staf2109/8607050
https://esawebb.org/news/weic2609/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae4bd0
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ đến mọi người. Hiện anh là giáo sư trợ lý tại Khoa Nghiên cứu Tự do, Đại học Sejong, tham gia vào nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như ‘Về sự vô dụng của nhà thiên văn học’, ‘Chúng ta đều sinh ra là những nhà thiên văn học’, ‘Những câu hỏi kỳ lạ hiện lên khi nhìn vào vũ trụ’, và đã dịch các tác phẩm như ‘Tôi đã giết sao Diêm Vương bằng cách nào’, ‘Quantum Life’, ‘UFO’.