[비즈한국] Kể từ khi kỷ nguyên của kính thiên văn James Webb bắt đầu, một bí ẩn mới đã xuất hiện. Đó chính là những "chấm đỏ nhỏ" (LRD - Little Red Dots). Sau khi James Webb bắt đầu quan sát không gian sâu vào năm 2024, vô số chấm đỏ đã được ghi lại ở rìa vũ trụ, khiến các nhà thiên văn học vô cùng bối rối. Chưa từng có kính thiên văn nào, dù đặt trên mặt đất hay trong không gian, kể cả Hubble, từng phát hiện ra loại thiên thể này trước đây. Chúng là những thực thể kỳ lạ chỉ có thể được tìm thấy thông qua khả năng quan sát hồng ngoại của James Webb.
Các LRD thường được tìm thấy ở vùng vũ trụ rất xa xưa, cụ thể là từ 600 triệu đến 1,6 tỷ năm sau Vụ nổ lớn (Big Bang). Trong số những LRD được tìm thấy cho đến nay, cái lâu đời nhất lưu giữ hình ảnh từ 13,2 tỷ năm trước. Mặc dù đã có hơn 300 LRD được phát hiện, các nhà thiên văn học vẫn chưa biết chính xác chúng là gì. Mọi giả thuyết chỉ dừng lại ở mức dự đoán. Người ta thậm chí không chắc liệu mỗi chấm nhỏ này là một thiên hà nguyên thủy tồn tại trong vũ trụ sơ khai, hay là một ngôi sao khổng lồ thuở sơ khai, hay thậm chí là một thứ gì đó khác. Vì khó có thể giải mã, đôi khi lại xuất hiện những tiêu đề tin tức giật gân cho rằng LRD "đang đe dọa lý thuyết Big Bang hiện tại".
Tuy nhiên, gần đây đã xuất hiện một giả thuyết rất khác biệt về danh tính của chúng. Các nhà thiên văn học đã phân tích một thiên thể trong số các LRD nổi tiếng mang tên MoM-BH*-1. Và họ đã khám phá ra một khả năng đáng kinh ngạc chưa từng được cân nhắc trước đây. Có lẽ, hàng trăm LRD được phát hiện ở rìa vũ trụ qua kính James Webb cho đến nay không phải là những thiên hà nguyên thủy nhỏ bé, cũng không phải là những ngôi sao khổng lồ thời sơ khai. Chúng có thể là một loại thiên thể hoàn toàn khác, không phải sao cũng chẳng phải thiên hà.
LRD có sắc đỏ đặc trưng. Hầu hết các LRD được phát hiện cho đến nay đều thể hiện dạng quang phổ rất đồng nhất trên dải hồng ngoại. Trong vũ trụ, màu đỏ thường xuất hiện khi một vật thể bị bao quanh bởi những đám mây bụi khổng lồ. Các hạt bụi, sau khi nhận ánh sáng từ nguồn khác, sẽ bị làm nóng và phát ra ánh sáng đỏ trên dải hồng ngoại. Một ví dụ điển hình là các thiên hà bị bao phủ dày đặc bởi bụi nóng, một dạng quasar độc đáo trong vũ trụ xa xôi, được các nhà thiên văn học gọi là Hot DOG (hot dust-obscured galaxies). Thế nhưng, Hot DOG không thể giải thích được LRD. Bởi lẽ, nếu chỉ là thiên hà có mật độ bụi cao, thì LRD không thể tỏa ra ánh sáng đỏ mạnh mẽ đến mức đó, hơn nữa kích thước của chúng lại trông quá nhỏ.
Hầu hết các LRD đều chứa hàm lượng hydro cao, vì vậy các vạch Balmer, dấu vết của ánh sáng phát ra từ hydro, có thể được nhìn thấy trong quang phổ. Tuy nhiên, nhiều LRD thường có vạch Balmer không nhọn mà lại trải rộng sang hai bên. Điều này có nghĩa là các đám mây hydro mà LRD chứa đựng đang quay với tốc độ rất nhanh. Trong trường hợp cực đoan, chúng cho thấy vật chất đang quay quanh lõi của LRD với tốc độ gần 1.000 km/s. Đây là đặc điểm thường thấy ở các thiên hà chứa hố đen siêu khối lượng ở trung tâm. Dựa vào đó, các nhà thiên văn học từng đặt giả thuyết rằng LRD có thể là các thiên hà nguyên thủy chứa hố đen siêu khối lượng hình thành từ rất sớm trong vũ trụ.
Thế nhưng, điều này vẫn không giải thích được hoàn toàn. Nếu là trong vũ trụ sơ khai, một hố đen siêu khối lượng mới hình thành sẽ phải trải qua giai đoạn vô cùng dữ dội. Người ta lẽ ra phải quan sát được cảnh nó nuốt chửng các đám mây khí mật độ cao xung quanh và phun trào năng lượng khổng lồ dọc theo trục quay của hố đen. Những tình huống cực đoan ở trung tâm thiên hà thường tạo ra quang phổ đa dạng và phong phú, không chỉ có hồng ngoại mà còn có cả tia X và tia cực tím. Tuy nhiên, phần lớn các LRD được James Webb chụp lại không cho thấy điều này. Do đó, thật khó để xem chúng chỉ đơn thuần là những hố đen hung dữ hay nhân thiên hà hoạt động được hình thành từ vũ trụ sơ khai.
Hơn nữa, nhiều LRD cho thấy một đặc điểm rất rõ rệt được gọi là "đứt gãy Balmer" (Balmer break). Đây là hiện tượng trong quang phổ của sao hoặc thiên hà, nơi cường độ ánh sáng giảm đột ngột như một vách đá ở bước sóng ngắn hơn 364,5 nm. Trong nguyên tử hydro trung hòa (gồm một proton và một electron), electron ở mức năng lượng n=2 sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng ngắn hơn 364,5 nm để chuyển lên mức năng lượng cao hơn hoặc bị ion hóa hoàn toàn. Những ngôi sao già có nhiệt độ bề mặt không quá nóng thường chứa nhiều electron ở mức n=2 trong bầu khí quyển. Vì vậy, ở các thiên hà tập trung nhiều sao già, ta dễ dàng bắt gặp hiện tượng đứt gãy Balmer này.
Thế nhưng, thực tế này lại khiến LRD càng trở nên khó hiểu hơn. Tất cả các LRD mà James Webb tìm thấy đều nằm ở vũ trụ cực kỳ sơ khai, khi tuổi của vũ trụ chưa đầy 1 tỷ năm. Đáng lẽ các thiên hà ở thời điểm này phải là những thiên hà nguyên thủy rất trẻ, vừa mới bắt đầu quá trình hình thành sao. Vậy mà đứt gãy Balmer lại là đặc điểm thường thấy ở các thiên hà chứa đầy sao già hơn là sao trẻ. Sự mâu thuẫn này khiến LRD giống như những thiên hà "chín ép", già đi quá nhanh. Chính vì những vấn đề nan giải này mà một thời gian trước, một số phương tiện truyền thông đã đưa tin rằng sự tồn tại của LRD đang làm lung lay nền tảng của lý thuyết Big Bang.
Tuy nhiên, phân tích mới đây đã đưa ra một khả năng mới có thể giải thích đặc điểm đứt gãy Balmer của LRD. Trên thực tế, electron trong hydro trung hòa không thể ở lại mức năng lượng n=2 lâu được. Trạng thái này rất không ổn định. Chỉ sau 1-2 nano giây, electron sẽ rơi xuống mức năng lượng n=1 thấp hơn và ổn định hơn, đồng thời giải phóng ánh sáng tương ứng với dãy Lyman. Việc hầu hết các LRD đều cho thấy đứt gãy Balmer rõ ràng trong quang phổ có nghĩa là phải có một cơ chế nào đó buộc các electron trong nguyên tử hydro của LRD tiếp tục ở lại mức n=2.
Hãy thử nghĩ về một tình huống cực đoan nơi điều này xảy ra. Chẳng hạn như khi các nguyên tử hydro tụ lại với mật độ quá cao. Trong loại khí có mật độ cao này, các nguyên tử hydro va chạm với nhau thường xuyên, và các electron mà mỗi nguyên tử chứa đựng, dù định rơi xuống mức n=1, lại nhanh chóng nhận được năng lượng để nhảy ngược lên mức n=2. Nếu mật độ nguyên tử hydro quá dày đặc đến mức tần suất rơi xuống từ mức n=2 và tần suất nhảy ngược lên mức n=2 cân bằng nhau, một dạng trạng thái cân bằng sẽ được thiết lập. Điều này giúp số lượng electron ở mức n=2 trong đám mây khí được duy trì ở mức cao và ổn định. Khi đó, ngay cả khi không có ngôi sao nào, các electron ở mức n=2 trong đám mây khí vẫn tiếp tục hấp thụ ánh sáng có bước sóng ngắn hơn mức nhất định, tạo ra đặc điểm đứt gãy Balmer rõ rệt trên quang phổ.
Nếu áp dụng giả thuyết này, chúng ta có thể hình dung một tình huống rất thú vị. Một hố đen siêu khối lượng ở trung tâm được bao bọc bởi một khối khí hydro có mật độ cực cao. Ở đó không hề có sao. Chỉ có hố đen siêu khối lượng ẩn mình trong lõi của một đám mây khí hydro dày đặc. Theo mô hình này, mật độ của "kén" khí hydro chứa hố đen siêu khối lượng đó tương đương với mật độ tầng trên của bầu khí quyển một ngôi sao bình thường! Nghĩa là, nó không phải là mật độ vật chất liên sao loãng trong thiên hà, mà là mật độ dày đặc của bầu khí quyển sao, nơi các nguyên tử chen chúc bao bọc lấy hố đen trung tâm.
Trong phân tích này, các nhà thiên văn học đã sử dụng quan sát quang phổ hồng ngoại của James Webb để phân tích MoM-BH*-1, một trong những LRD. Họ xác nhận rằng khi áp dụng mô hình "kén" khí bao quanh hố đen siêu khối lượng ở trung tâm, kết quả thu được giải thích hoàn hảo quang phổ thực tế đã quan sát. Một thiên thể chứa hố đen siêu khối lượng ở trung tâm, được bao bọc bởi lớp khí mật độ cao như bầu khí quyển sao. Bán kính của đám mây khí chỉ khoảng 40 AU. Nó thậm chí còn nhỏ hơn hệ Mặt Trời của chúng ta, chứ đừng nói đến thiên hà! Đây không giống một thiên hà nguyên thủy mà giống như một "ngôi sao đỏ khổng lồ" chứa hố đen ở trung tâm. Đó là một loại thiên thể mới chưa từng được nghĩ tới, khác biệt hoàn toàn với bất kỳ ngôi sao hay thiên hà nào mà chúng ta từng biết. Các nhà thiên văn học đã đặt tên cho thiên thể mới này là "hố đen sao" (Black hole star).
Nếu giải thích LRD là một loại thiên thể mới gọi là "hố đen sao", thì vấn đề khối lượng vốn được coi là quá nặng, một trong những vấn đề lớn nhất của LRD cho đến nay, cũng được giải quyết một cách tự nhiên. Các nhà thiên văn học xác nhận rằng khi áp dụng mô hình mới, khối lượng của hố đen siêu khối lượng bên trong chúng được tính toán nhẹ hơn nhiều. Nó giảm xuống còn khoảng 100.000 đến 10 triệu lần khối lượng Mặt Trời, nhẹ hơn gấp 100 lần so với ước tính trước đó. Mức này giống với hố đen khối lượng trung bình hơn. Đây là mức khối lượng hoàn toàn phù hợp với một hố đen sơ khai trong vũ trụ tuổi còn rất trẻ. Vấn đề gây tranh cãi về việc khối lượng quá nặng ngay từ sau Big Bang đã được giải quyết một cách tự nhiên.
Khả năng đáng kinh ngạc của LRD mà bài báo này đề xuất đã cung cấp một manh mối mới cho một trong những câu đố lâu đời của thiên văn học hiện đại: mối liên hệ giữa thiên hà và hố đen siêu khối lượng ở trung tâm. Các nhà thiên văn học vẫn luôn trăn trở giữa hai khả năng: liệu thiên hà hình thành trước rồi hố đen ở trung tâm mới lớn dần lên, hay hố đen được tạo ra trước rồi các thiên hà mới hình thành xung quanh. Đây chính là vấn đề "con gà và quả trứng" lâu đời của thiên văn học.
Tuy nhiên, kịch bản này gợi ý rằng trong vũ trụ sơ khai, các đám mây khí mật độ cực cao đã kết tụ lại và từ trung tâm đó, thứ được hình thành đầu tiên không phải là sao, mà là hố đen khối lượng trung bình. Khi những "hố đen sao" được hình thành theo cách này va chạm và hợp nhất với nhau, chúng sẽ lớn dần để trở thành những hố đen siêu khối lượng nặng hơn như ngày nay. Trong quá trình đó, các ngôi sao bình thường được hình thành xung quanh, tạo nên hình dáng thiên hà như hiện tại. Cuối cùng, chúng ta cũng có thể bắt đầu hiểu được liệu con gà hay quả trứng có trước, hay nói cách khác, thiên hà hay hố đen mới là mảnh ghép đầu tiên trong lịch sử vũ trụ.
Tham khảo
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250316596N/abstract
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh là người yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi dưỡng ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang nghiên cứu về 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. Anh cũng tích cực tham gia các hoạt động truyền thông khoa học như giảng dạy và viết sách. Các tác phẩm tiêu biểu bao gồm 'Đài quan sát hẹn hò', 'Suy ngẫm về vũ trụ cả ngày', 'Sao, khoa học của ánh sáng'.