Thiên hà “Vô Cực” hé lộ bí ẩn về sự ra đời hố đen siêu khối lượng trong vũ trụ

Các nhà thiên văn học vừa phát hiện một hệ thiên hà hiếm gặp, có thể mang đến bằng chứng mạnh mẽ nhất từ trước đến nay về cách những hố đen siêu khối lượng hình thành trong điều kiện cực đoan. Vật thể này, được đặt biệt danh là thiên hà "Vô Cực" (Infinity galaxy), được phát hiện trong dữ liệu lưu trữ từ Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) nhờ Pieter van Dokkum (Đại học Yale) và Gabriel Brammer (Đại học Copenhagen).

Thiên hà này nằm ở độ dịch đỏ z = 1,14, tức là cách Trái Đất hơn 8 tỷ năm ánh sáng. Dịch đỏ là hiện tượng ánh sáng bị kéo giãn sang bước sóng dài hơn, thường được các nhà thiên văn dùng để đo khoảng cách, vận tốc và sự giãn nở của vũ trụ.

Ảnh chụp từ JWST cho thấy hai nhân thiên hà nhỏ gọn, mỗi nhân có khối lượng sao khoảng 10¹¹ lần Mặt Trời, cách nhau khoảng 10 kiloparsec. Cả hai đều được bao quanh bởi những vòng sao hoặc vỏ sao, tạo thành hình số 8 – giống như biểu tượng vô cực. Hình thái này gợi nhớ tới hệ II Hz 4 gần đó, nơi hai thiên hà đĩa va chạm trực diện và tạo ra các vòng va chạm.

Các quan sát tiếp theo bằng Đài thiên văn Keck, Mảng kính thiên văn VLA và Đài quan sát tia X Chandra của NASA đã xác nhận sự hiện diện của một hố đen siêu khối lượng đang hút vật chất mạnh mẽ. Điều đáng kinh ngạc là hố đen này không nằm trong bất kỳ nhân thiên hà nào, mà xuất hiện ở khoảng giữa, cả về vị trí lẫn vận tốc. Nó phát ra bức xạ mạnh mẽ ở cả sóng vô tuyến và tia X, tương tự một chuẩn tinh (quasar), cho thấy tốc độ tăng trưởng rất nhanh.

Camera hồng ngoại gần (NIRCam) của JWST phát hiện sự phát xạ dư thừa trong bộ lọc F150W, cho thấy hố đen này được bao quanh bởi khí hydro phát sáng mạnh ở vạch quang phổ Hα. Nguồn phát xạ, với bề rộng tương đương 400–2000 Å, phản ánh một môi trường hỗn loạn và ion hóa mạnh. Khí trải rộng khắp hệ và có dấu hiệu bị sốc và nén lại tại vùng va chạm, tương tự những gì từng quan sát ở cụm thiên hà "viên đạn" (bullet cluster).

Điều đặc biệt là cả hai nhân thiên hà cũng đều chứa hố đen siêu khối lượng đang hoạt động, nâng tổng số trong hệ lên ba hố đen. Tuy nhiên, hố đen trung tâm dường như hình thành tại chỗ trong đám khí bị sốc, thay vì được mang theo từ một trong hai thiên hà. Các nhà nghiên cứu cho rằng đây có thể là ví dụ của cơ chế sụp đổ trực tiếp (direct collapse), khi một đám mây khí khổng lồ tự sụp dưới trọng lực và trở thành hố đen mà không cần trải qua giai đoạn hình thành sao.

Khám phá này có ý nghĩa lớn trong cuộc tranh luận về sự hình thành hố đen sơ khai. Lý thuyết "hạt giống nhẹ" (light seeds), cho rằng hố đen khởi đầu từ tàn dư sao rồi lớn dần qua sáp nhập, khó giải thích sự xuất hiện quá nhanh của các hố đen tỷ khối lượng Mặt Trời mà JWST quan sát được ở vũ trụ sơ khai. Ngược lại, lý thuyết "hạt giống nặng" (heavy seeds), tức hố đen hình thành trực tiếp từ mây khí sụp đổ, nhanh hơn nhưng lại thiếu bằng chứng quan sát. Cấu trúc, phân bố khí và hố đen trung tâm trong thiên hà Vô Cực cung cấp những bằng chứng thuyết phục cho kịch bản này.

Các nhà khoa học sẽ cần nhiều mô phỏng và quan sát quang phổ JWST để xác nhận liệu quá trình sụp đổ trực tiếp có thực sự diễn ra. Nếu đúng, thiên hà Vô Cực sẽ là bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho cơ chế này, mở ra lời giải cho bí ẩn về sự xuất hiện nhanh chóng của các hố đen siêu khối lượng trong vũ trụ sơ khai.

Ông Van Dokkum chia sẻ: “Chúng tôi tin rằng mình đang chứng kiến khoảnh khắc một hố đen siêu khối lượng ra đời – điều chưa từng được thấy trước đây.”

Hiện tại, thiên hà Vô Cực là một hệ hiếm có và phức tạp: hai thiên hà khổng lồ va chạm, ba hố đen đang hoạt động, và một hố đen có thể đang chào đời – một khoảnh khắc độc nhất trong lịch sử vũ trụ.