Khả năng tồn tại hố đen khổng lồ vượt trăm tỷ lần khối lượng Mặt Trời

Hố đen có thể lớn hơn những gì chúng ta từng nghĩ — đó là suy nghĩ đang lan tỏa trong cộng đồng vũ trụ học sau khi các nhóm nghiên cứu bàn về khả năng xuất hiện những khối thể cực kỳ nặng, thậm chí vượt trăm tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Bài viết này tập trung vào các bằng chứng quan sát, giới hạn vật lý đối với sự tăng trưởng của hố đen, và kịch bản lý thuyết có thể tạo ra các “ông lớn” hiếm gặp đó.

TON 618: biểu tượng của khối lượng khổng lồ

Một ví dụ tiêu biểu cho hố đen siêu nặng là chuẩn tinh TON 618. Quan sát cho thấy khối lượng ước tính của TON 618 vào khoảng 66 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, và nó phát sáng với cường độ tương đương 140 nghìn tỷ Mặt Trời. Trên bản đồ thiên văn, TON 618 nằm ở ranh giới giữa Canes Venatici và Coma Berenices, cách chúng ta khoảng 18,2 tỷ năm ánh sáng.

Lịch sử phát hiện của TON 618 cũng cho thấy những bất ngờ trong khảo sát thiên văn: vật thể này lần đầu được nhìn thấy trong một cuộc khảo sát năm 1957 tại đài quan sát Tonantzintla (Mexico) và ban đầu được nhầm là một ngôi sao xanh mờ; chỉ sau nhiều quan sát sau đó người ta nhận ra nguồn bức xạ rất mạnh đến từ một chuẩn tinh — tức hố đen đang hấp thu vật chất và phát sáng kéo dài.

Tại sao nhiều hố đen không lớn hơn nữa?

Một điểm then chốt khi bàn về kích thước tối đa của hố đen là tốc độ ăn — tức tốc độ mà vật chất rơi vào hố đen. Khi vật chất rơi vào, nó gia tốc, bị nén và đốt nóng, giải phóng bức xạ mạnh. Bức xạ này tác động lên vật chất xung quanh và có thể ngăn chặn một phần vật chất tiếp tục rơi vào hố đen, tạo nên một cơ chế tự điều chỉnh hạn chế tốc độ phát triển.

Dựa trên những giới hạn như vậy và thời gian có sẵn kể từ khi vũ trụ hình thành, các nhà thiên văn ước tính có một giá trị khối lượng tối đa khả dĩ cho hố đen thu nhận vật chất bằng cách ăn thường trực. Con số được nhắc tới trong các mô hình là khoảng 50 tỷ lần khối lượng Mặt Trời.

SLAB: khái niệm cho những gã khổng lồ

Trong một số nghiên cứu, các nhà khoa học đã đặt tên cho những hố đen có khối lượng vượt 100 tỷ Mặt Trời là “hố đen to lớn vô cùng” (SLAB). Theo lý thuyết được nêu bởi một số nhà vũ trụ học, trong điều kiện nhất định những đối tượng như vậy không bị loại trừ hoàn toàn — tức về nguyên tắc chúng có thể tồn tại — nhưng cơ chế hình thành và tần suất của chúng vẫn là chủ đề tranh luận mạnh mẽ.

Những tính toán về giới hạn do quá trình ăn và tương tác phức tạp giữa bức xạ và vật chất cho thấy việc đạt tới hoặc vượt quá ngưỡng trăm tỷ đòi hỏi những điều kiện bất thường liên quan đến nguồn cung vật chất hoặc các kịch bản khởi nguồn đặc biệt.

Hai con đường hình thành: tích lũy dần hay hạt giống ban đầu?

Một mô hình phổ biến giải thích sự xuất hiện của hố đen siêu lớn là sự tích lũy từ các hố đen nhỏ hơn qua sáp nhập và ăn vật chất trong quá trình tiến hóa của thiên hà. Tuy nhiên, phương án này gặp khó khi phải giải thích các hố đen khổng lồ xuất hiện sớm trong lịch sử vũ trụ — tức khi vũ trụ mới chỉ vài tỷ năm tuổi — bởi giới hạn thời gian và tốc độ phát triển thông thường.

Một kịch bản thay thế được đề xuất là sự có mặt của hố đen nguyên thủy: các dao động mật độ trong vũ trụ rất sớm có thể cô đặc thành những vùng đủ lớn để sụp đổ trực tiếp thành hố đen trong giây đầu tiên sau Big Bang. Những hố đen nguyên thủy như vậy, nếu tồn tại, có thể đóng vai trò hạt giống cho việc hình thành các hố đen siêu lớn và thậm chí là các SLAB.

Liên hệ tới vật chất tối: một khả năng mở

Nếu hố đen nguyên thủy chiếm một phần đáng kể các đối tượng nặng trong vũ trụ, điều đó sẽ tác động tới hiểu biết về vật chất tối. Hiện nay vật chất tối được nhận biết chủ yếu qua tương tác hấp dẫn của nó với vật chất thường, còn bản chất vi mô của nó vẫn chưa rõ. Một cộng đồng nghiên cứu xem xét khả năng hố đen nguyên thủy góp phần hoặc thậm chí chiếm tỷ lệ trong vật chất tối, tuy đây vẫn là một trong nhiều giả thuyết cần kiểm chứng.

Luca Visinelli (Đại học Amsterdam) là một trong những nhà khoa học nhấn mạnh rằng vật chất tối vẫn là một trong những bí ẩn lớn cần giải đáp, và các kịch bản liên quan đến hố đen nguyên thủy là một hướng nghiên cứu đáng lưu ý.

Ý nghĩa quan sát và tương lai nghiên cứu

Việc xác định sự hiện diện của SLAB hoặc chứng minh chúng là hiếm sẽ có tác động lớn tới mô hình tiến hóa thiên hà và lịch sử tăng trưởng của hố đen siêu lớn. Ở mặt quan sát, chuẩn tinh và tín hiệu bức xạ mạnh từ các hố đen đang ăn cung cấp manh mối; song do khoảng cách lớn và hạn chế độ phân giải, nhiều nguồn sáng vẫn chỉ xuất hiện như những chấm mờ ngay cả với kính thiên văn mạnh.

Các nhóm nghiên cứu lý thuyết tiếp tục mô phỏng các kịch bản sáp nhập, điều kiện cung cấp vật chất dồi dào, và các khả năng có hạt giống ban đầu để đánh giá khả năng sinh SLAB. Bernard Carr (Đại học Queen Mary) và cộng sự đã chỉ ra rằng cách tiếp cận truyền thống không hoàn toàn đủ để giải thích mọi trường hợp, do đó phải cân nhắc các phương án thay thế.

Những lưu ý khi tiếp cận thông tin

Khi đọc về hố đen siêu lớn và khái niệm SLAB, người quan sát nên phân biệt rõ giữa kết quả quan sát trực tiếp (ví dụ ước tính khối lượng, độ sáng, vị trí thiên văn) và các giải thích lý thuyết khác nhau về nguồn gốc. Nhiều giả thuyết vẫn đang được kiểm chứng; một số có thể bị loại bỏ khi dữ liệu mới xuất hiện, trong khi những ý tưởng khác sẽ được tinh chỉnh.

Câu hỏi thường gặp

TON 618 là gì?

TON 618 là một chuẩn tinh có hố đen trung tâm ước tính nặng khoảng 66 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, phát sáng mạnh tới mức tương đương 140 nghìn tỷ Mặt Trời và nằm cách Trái Đất khoảng 18,2 tỷ năm ánh sáng.

Tại sao hố đen không phát triển vô hạn?

Sự phát triển của hố đen bị giới hạn bởi cơ chế tự điều chỉnh: vật chất rơi vào tạo ra bức xạ, và bức xạ này can thiệp vào dòng vật chất, làm giảm tốc độ rơi tiếp theo. Điều đó cùng với thời gian có sẵn để tích lũy vật chất giúp đặt ra các ước tính giới hạn về khối lượng tối đa mà hố đen có thể đạt được thông qua ăn vật chất thông thường.

Hố đen nguyên thủy có liên quan gì đến vật chất tối?

Nếu hố đen hình thành rất sớm (hố đen nguyên thủy) tồn tại với mật độ đủ lớn, chúng có thể góp phần vào tổng khối lượng không nhìn thấy của vũ trụ — tức một phần của hiện tượng mà ta gọi là vật chất tối. Tuy nhiên, đây vẫn là một khả năng trong số nhiều giả thuyết và cần thêm bằng chứng.

Mô phỏng hố đen lớn nhất vũ trụ hiện nay TON 618. (Ảnh: Space).

Kết lại, khả năng tồn tại những hố đen vượt trăm tỷ lần khối lượng Mặt Trời mở ra cả cơ hội và thách thức: cơ hội để hiểu sâu hơn về nguồn gốc các hạt giống hố đen và mối liên hệ với vật chất tối; thách thức để giải thích bằng mô hình vật lý phù hợp với dữ liệu quan sát. Con đường tiến tới câu trả lời sẽ tiếp tục dựa trên sự kết hợp giữa quan sát sâu rộng và phân tích lý thuyết chặt chẽ.

Để tìm hiểu thêm về cách kính thiên văn hiện đại ghi lại các thấu kính hấp dẫn và vật thể ở khoảng cách cực lớn, bạn có thể đọc tiếp bài viết James Webb và hình ảnh thấu kính hấp dẫn tại cụm SDSS J1226+2149 — một góc nhìn hữu ích về khả năng phóng đại đối với các vật thể rất xa và vai trò của NIRCam.

Nếu bạn quan tâm tới tác động của chu kỳ Mặt Trời và các dự báo không gian lên nghiên cứu vũ trụ và hạ tầng không gian, bài phân tích những bài học rút ra từ chu kỳ Mặt Trời 25 và sai lệch dự báo cung cấp góc nhìn sâu về lý do tại sao mô hình dự báo có thể cần điều chỉnh.

Và để làm rõ tư duy về cấu trúc lớn nhất của vũ trụ, bạn có thể tiếp tục với bài viết vì sao vũ trụ không có một điểm ‘trung tâm’ duy nhất, giúp phân biệt khái niệm Big Bang, điểm kỳ dị và phạm vi vũ trụ quan sát được.