[비즈한국] 10 năm trước, các nhà khoa học đã phát hiện ra một tác phẩm khác ẩn giấu trong bức tranh thời kỳ đầu của Pablo Picasso mang tên “Phòng xanh”. Kết quả phân tích bằng camera hồng ngoại cho thấy một bức chân dung người đàn ông đã lộ ra bên dưới lớp sơn phủ trên vải canvas. Những câu hỏi mới lại xuất hiện: Nhân vật chính trong bức chân dung bí ẩn này là ai, tại sao Picasso lại vẽ bức tranh đó rồi tiếp tục vẽ đè lên nó một tác phẩm mới?
Cũng giống như vậy, tia hồng ngoại giúp tiết lộ những điều chưa biết khác đang ẩn giấu bên ngoài thế giới mà chúng ta vốn dĩ đã biết. Trong vũ trụ cũng vậy. Kính viễn vọng không gian James Webb, quan sát vũ trụ bằng tia hồng ngoại, đang làm sáng tỏ những bí mật mới của vũ trụ mà thời kỳ của kính viễn vọng Hubble trước đây không thể tưởng tượng nổi.
Đặc biệt, gần đây có một phát hiện khiến các nhà thiên văn học bối rối. Đó là những đốm đỏ nhỏ (Little Red Dots, LRD) liên tục được tìm thấy ở tận cùng vũ trụ. Nếu nhìn vào các bức ảnh quan sát đa dạng mà James Webb chụp được, ta sẽ thấy giữa nền vũ trụ đen thẫm, bên cạnh những ngôi sao và thiên hà gần tỏa sáng rực rỡ, luôn có một đốm đỏ xuất hiện rõ nét ở đâu đó. Số lượng của chúng cũng rất nhiều. Điều đáng kinh ngạc hơn là những đốm đỏ nhỏ này không hề được tìm thấy trong vùng vũ trụ gần chúng ta. Chúng chỉ xuất hiện khi chúng ta nhìn vào vũ trụ xa xôi hơn – nơi mà chỉ có thể thấy được nhờ James Webb. Hiện các nhà thiên văn học vẫn chưa biết danh tính thực sự của những đốm này là gì. Tia hồng ngoại đang vén màn những ẩn số mới ngay trong vũ trụ và đặt ra cho chúng ta những câu hỏi khác.
Các nhà thiên văn học thậm chí còn không nghĩ rằng những đốm đỏ này lại ẩn náu ở tận cùng vũ trụ. Họ cũng không quan sát với mục đích đi tìm chúng. Họ thực hiện quan sát để chứng minh thời kỳ tái ion hóa – thời kỳ được cho là khi các ngôi sao và thiên hà mới hình thành ngay sau vụ nổ Big Bang, chiếu sáng và ion hóa toàn bộ vũ trụ – nhưng trong ảnh lại phát hiện ra quá nhiều đốm đỏ.
Có hai khả năng chính giải thích tại sao các thiên thể này lại có màu đỏ đặc trưng ở bước sóng hồng ngoại. Thứ nhất, có khả năng chúng ở khoảng cách quá xa, dẫn đến tình trạng dịch chuyển đỏ cực đoan do sự giãn nở của vũ trụ. Nếu vậy, thực chất đây là những thiên hà nguyên thủy tồn tại trong thời kỳ sơ khai của vũ trụ, chỉ mới 600-700 triệu năm sau vụ nổ Big Bang.
Tuy nhiên, không chỉ sự giãn nở của vũ trụ mới làm ánh sáng của thiên hà trở nên đỏ. Nếu thiên hà chứa một lượng bụi rất lớn, nó có thể trông đỏ hơn. Bụi hấp thụ hầu hết ánh sáng phát ra từ thiên hà rồi tái phát xạ ở bước sóng hồng ngoại dài hơn, làm ánh sáng của thiên hà chuyển sang màu đỏ. Bụi là thứ gây phiền toái cho các nhà thiên văn học, đặc biệt là khi xác định thông số chính xác của thiên hà. Bởi vì tùy thuộc vào lượng bụi mà thiên hà chứa, độ sáng cũng như tổng khối lượng của thiên hà ước tính qua ánh sáng có thể thay đổi rất nhiều.
Các nhà thiên văn học đang thực hiện hai dự án lớn để quan sát vũ trụ trong thời kỳ tái ion hóa thông qua James Webb. Đó là EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) và FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). Cho đến nay, họ mới chỉ quan sát một vùng rất hẹp của bầu trời. Nó nhỏ đến mức chỉ bằng khoảng 1/20 diện tích bị che khuất bởi móng tay cái khi bạn duỗi thẳng cánh tay. Mượn lời của một nhà thiên văn học thực hiện dự án này, cho đến nay họ “chỉ mới khẽ cào đầu ngón tay vào tận cùng vũ trụ”.
Một lý do khác khiến những đốm đỏ này gây kinh ngạc là kích thước của chúng được ước tính quá nhỏ. Kích thước của chúng suy ra từ các đốm đỏ trong ảnh của James Webb không vượt quá 500 năm ánh sáng. Thậm chí có những đốm nhỏ đến mức 100 năm ánh sáng. Điều này quá nhỏ để có thể gọi là một thiên hà. Ngay cả dải Ngân hà của chúng ta cũng có đường kính lên tới 100.000 năm ánh sáng. Thế nhưng, những đốm đỏ này phải nhỏ hơn các thiên hà bình thường tới 100-1000 lần. Liệu có thể coi đây là những thiên hà được tạo thành từ hàng chục triệu đến hàng trăm triệu ngôi sao tụ hội lại không?
Gần đây, một số nhà thiên văn học suy đoán rằng tại tâm các đốm đỏ nhỏ đó có thể là một hố đen siêu khối lượng "em bé" vừa mới bắt đầu quá trình tăng trưởng. Một trong những căn cứ là phổ của các đốm đỏ cho thấy các vạch phát xạ của nguyên tử hydro đang chuyển động rất nhanh. Việc có một hố đen ở trung tâm thiên hà có thể được xác nhận gián tiếp thông qua các đám mây khí bị lực hấp dẫn mạnh giữ lại xung quanh và chuyển động với tốc độ rất cao.
Các đám mây khí chứa nguyên tử hydro phát ra ánh sáng ở những bước sóng cụ thể. Dấu vết đó còn sót lại dưới dạng các vạch phát xạ mỏng và nhọn trong phổ của toàn bộ thiên hà. Tuy nhiên, nếu đám mây khí bị lực hấp dẫn của hố đen trung tâm giữ lại và di chuyển với tốc độ rất nhanh, nó sẽ trải qua hiệu ứng Doppler khiến bước sóng của vạch phát xạ bị lệch về phía bước sóng ngắn hơn hoặc dài hơn. Khi tốc độ di chuyển càng nhanh, độ lệch của bước sóng về cả hai hướng càng lớn, và vạch phát xạ sẽ trở nên rộng hơn và bẹt hơn. Đây là đặc điểm tiêu biểu của hầu hết các thiên hà hoạt động có chứa hố đen khổng lồ và dữ dội ở trung tâm.
Nếu có thể đo được tốc độ của đám mây khí di chuyển ở tâm thiên hà, ta cũng có thể nắm bắt được quy mô khối lượng của hố đen siêu khối lượng đang tăng trưởng ở đó. Nếu các đốm đỏ được James Webb xác nhận thực sự là các thiên hà chứa hố đen, thì khối lượng của hố đen bên trong đó phải đa dạng và nặng nề, từ hàng triệu đến hàng trăm triệu lần khối lượng Mặt Trời!
Điều này thực sự đáng kinh ngạc. Những đốm đỏ này là các thiên hà nguyên thủy rất trẻ, tồn tại khi vũ trụ mới chỉ 600-700 triệu tuổi. Đó mới chỉ là giai đoạn đầu, khi lịch sử vũ trụ mới trôi qua khoảng 5%. Trong một vũ trụ sơ khai như vậy, lẽ ra thiên hà cũng như hố đen ở tâm của nó phải là những "đứa trẻ" vừa mới bắt đầu lớn và ở giai đoạn nhẹ cân. Tuy nhiên, James Webb lại cung cấp bằng chứng cho thấy ngay từ thời kỳ đầu vũ trụ đã có những hố đen phát triển nặng nề tới hàng trăm triệu lần khối lượng Mặt Trời. Có thể ví như tình cảnh bạn đến trường mẫu giáo nhưng thấy đầy rẫy những đứa trẻ cao 2 mét.
Điều kỳ lạ hơn nữa là có thể xác nhận điều này khi so sánh khối lượng của hố đen ở tâm với tổng khối lượng của thiên hà. Thông thường, các thiên hà có quy mô bình thường như dải Ngân hà của chúng ta thì tỷ trọng khối lượng hố đen ở tâm chiếm rất nhỏ so với tổng khối lượng sao của nó. Chỉ chiếm 1/1000 tổng khối lượng thiên hà. Hầu hết các thiên hà đều tuân theo tỷ lệ này một cách nhất quán. Nếu tổng khối lượng thiên hà tăng gấp đôi, khối lượng hố đen sống ở tâm cũng tăng gấp đôi.
Người ta từng nghĩ rằng những đốm đỏ được tìm thấy qua James Webb trong vũ trụ sơ khai chắc hẳn cũng tuân theo tỷ lệ này. Nhưng hoàn toàn không phải vậy. Hố đen ở tâm các thiên hà đốm đỏ này quá nặng so với kích thước của chúng. Nếu giả định chúng thực sự là các thiên hà, khối lượng của hố đen chiếm tới 30-40% tổng khối lượng ước tính!
Đây là một tỷ lệ khối lượng khổng lồ khó có thể hiểu nổi. Nếu coi thiên hà là một chiếc bánh bao nhân đậu đỏ, thì các thiên hà thông thường xung quanh chúng ta thường có tỷ lệ nhân đậu đỏ rất ít. Thực chất nó chỉ là một khối bột. Thế nhưng, các "bánh bao" đốm đỏ được xác nhận bằng James Webb lại có gần một nửa bên trong chứa đầy nhân đậu đỏ. Chúng ta có thể thưởng thức thứ nhân đậu đỏ hào phóng mà ta từng nghĩ không bao giờ có thể mong đợi trong vũ trụ. Điều này đang khiến các nhà thiên văn học, những người chưa từng cảm nhận được vị ngọt đầy ắp nhân đậu đỏ trước đây, phải "bội thực".
Nếu điều này là sự thật, có thể suy đoán rằng trong vũ trụ sơ khai, các hố đen đã phát triển nhanh đến mức không thể so sánh với ngày nay. Tuy nhiên, giả thuyết này cũng có vấn đề. Hố đen ở tâm thiên hà đang phát triển nhanh chóng sẽ phát ra ánh sáng năng lượng cao như tia X, tia gamma mạnh mẽ ra xa tận bên ngoài thiên hà. Các nhà thiên văn học đã phát hiện các thiên hà đốm đỏ nghi ngờ có sự tăng trưởng bùng nổ nhờ James Webb, và đối chiếu với kết quả quan sát của kính viễn vọng không gian tia X Chandra trước đó để kiểm tra xem chúng có thực sự phát ra tia X năng lượng cao mạnh mẽ hay không. Nhưng không có bất kỳ tia X nào được xác nhận. Nó quá tĩnh lặng để có thể nói rằng có một hố đen đang phát triển quá nhanh ở đó.
Vậy thì ta có thể nghĩ đến một khả năng khác. Đó là khả năng các đốm đỏ không chứa hố đen khổng lồ ở trung tâm mà chỉ là một dạng thiên hà nguyên thủy nơi các ngôi sao tụ hội với mật độ cao. Nhưng lại có vấn đề. Hố đen đang phát triển bùng nổ ở tâm thiên hà phun ra nguồn năng lượng khổng lồ không thể so sánh với bất kỳ ngôi sao đơn lẻ bình thường nào. Vì vậy, nó có thể giải thích đầy đủ toàn bộ năng lượng của những đốm đỏ được xác nhận bằng quan sát của James Webb. Nhưng nếu giả định rằng không có hố đen ở trung tâm, vấn đề sẽ trở nên phức tạp.
Để lấp đầy toàn bộ năng lượng của đốm đỏ bằng các ngôi sao có năng lượng thấp hơn nhiều so với hố đen, cần một số lượng ngôi sao quá lớn. Như đã nói ở trên, kích thước của đốm đỏ này được ước tính quá nhỏ. Chỉ ở quy mô 100-500 năm ánh sáng. Kết luận đưa ra là trong không gian chật hẹp chỉ bằng 1/1000 dải Ngân hà của chúng ta, phải có một số lượng ngôi sao đông đúc không kém gì dải Ngân hà tụ tập lại. Nếu các ngôi sao tụ lại với mật độ cao như thế này, thì việc coi chúng tự nhào nặn lẫn nhau để tạo thành một hố đen khổng lồ có vẻ hợp lý hơn.
Các nhà thiên văn học thậm chí còn xem xét khả năng những đốm đỏ này là phiên bản "em bé" của các quasar đang phát triển mới trong vũ trụ sơ khai. Nếu vậy, những đốm đỏ này có thể cung cấp manh mối quan trọng cho sự ra đời và tăng trưởng của các hố đen siêu khối lượng tại tâm thiên hà, vốn là vấn đề chưa được giải quyết dứt điểm trong lĩnh vực thiên văn học thiên hà. Đó có thể là hiện trường thực tế để chứng kiến quá trình hình thành hố đen khổng lồ tại tâm thiên hà. Và chúng ta cũng có thể làm sáng tỏ bí mật về mối quan hệ cộng sinh giữa chúng, rằng làm thế nào để tổng khối lượng của thiên hà và khối lượng hố đen ở tâm có thể tăng trưởng cùng nhau trong khi vẫn duy trì cùng một tỷ lệ. Thú vị là, những đốm đỏ được phát hiện bởi James Webb đang trở thành tín hiệu xanh chứ không phải tín hiệu đỏ đối với các nhà thiên văn học và thuyết vũ trụ Big Bang.
Tham khảo
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240500504M/abstract
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4265
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2345
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad55f7
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Sau khi xem "Galaxy Express 999" thời thơ ấu, anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học thuộc Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết giảng và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như ‘Đài thiên văn hẹn hò’, ‘Nghĩ về vũ trụ cả ngày’, ‘Sao, khoa học của ánh sáng’.