Lỗ đen không hình thành từ sự sụp đổ của sao 

Lỗ đen trong thiên hà Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1 được kính viễn vọng không gian JWST quan sát trong vũ trụ sơ khai (khoảng 700 triệu năm sau Vụ nổ lớn) là một lỗ đen siêu khối lượng đã phát triển đến kích thước hiện tại mà không cần một thiên hà lớn hơn nhiều để cung cấp vật chất. Theo mô hình chuẩn về sự tiến hóa sao, lỗ đen hình thành từ cái chết của các ngôi sao lớn hơn vào cuối vòng đời của chúng khi chúng cạn kiệt nhiên liệu do sự sụp đổ lõi sao. Những lỗ đen này phát triển về kích thước bằng cách hút vật chất từ ​​một thiên hà lớn hơn nhiều. Lỗ đen của Little Red Dot QSO1 không phù hợp với khung lý thuyết này và là một phát hiện mới. Nó được hình thành trực tiếp mà không cần sự tiến hóa sao tiêu chuẩn, tức là nó không phải là tàn dư của sự sụp đổ lõi của một ngôi sao lớn đang chết. Thay vào đó, nó là một lỗ đen sụp đổ trực tiếp (DCBH) hoặc một lỗ đen nguyên thủy (PBH). Trước đây đã có giả thuyết về các lỗ đen không hình thành từ sự sụp đổ sao. Đây là bằng chứng về một lỗ đen được hình thành thông qua một quá trình vượt ra ngoài sự tiến hóa sao tiêu chuẩn.

Lỗ đen được hình thành như thế nào? Theo mô hình chuẩn về sự tiến hóa của sao, lỗ đen là sản phẩm cuối cùng của quá trình tiến hóa của các ngôi sao khối lượng lớn. Các ngôi sao trải qua những thay đổi theo thời gian. 

Sự sống của một ngôi sao bắt đầu trong những đám mây khí và bụi liên sao khổng lồ trong thiên hà với sự kết tụ của các khí do nhiệt độ thấp và mật độ cao. Các cụm khí dần dần tích tụ thêm vật chất và phát triển. Đến một thời điểm nào đó, các cụm khí sụp đổ do lực hấp dẫn hướng vào trong tăng lên. Ma sát trong quá trình sụp đổ làm nóng vật chất và một ngôi sao non ra đời. Đây là giai đoạn tiền sao trong chu kỳ sống của một ngôi sao. Sự sụp đổ do trọng lực tiếp tục diễn ra, dẫn đến sự gia tăng dần nhiệt độ và áp suất trong lõi của tiền sao. Theo thời gian, nhiệt độ và áp suất trở nên đủ cao để cho phép các hạt nhân hydro hợp nhất. Phản ứng tổng hợp hạt nhân giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, làm nóng vật chất đủ để ngăn chặn sự sụp đổ tiếp tục dưới tác động của trọng lực. Đây là "giai đoạn chuỗi chính" của ngôi sao. Hydro là nhiên liệu chính. 

Khi nhiên liệu cạn kiệt, phản ứng tổng hợp hạt nhân dừng lại và không còn năng lượng để làm nóng các vật chất nhằm cân bằng lực hấp dẫn hướng vào bên trong, lõi sẽ sụp đổ, để lại một tàn dư nhỏ gọn. Đây là sự kết thúc của một ngôi sao. Ngôi sao đã chết hoặc tàn dư nhỏ gọn này có thể là sao lùn trắng, sao neutron hoặc lỗ đen tùy thuộc vào khối lượng của ngôi sao ban đầu. Những ngôi sao nặng hơn 20 khối lượng Mặt Trời (>20 M⦿) trở thành lỗ đen vào cuối quá trình tiến hóa sao khi nhiên liệu cạn kiệt. Đây là cách thông thường – các ngôi sao và thiên hà được hình thành trước, và lỗ đen được hình thành sau đó như giai đoạn cuối cùng của quá trình tiến hóa sao. Khối lượng của những lỗ đen như vậy nhỏ hơn nhiều so với tổng khối lượng của thiên hà.

Sự hình thành lỗ đen không phải từ sao

Liệu lỗ đen có thể được hình thành bằng những cách khác ngoài sự sụp đổ lõi sao? Hai kênh hình thành "phi sao" đã được đưa ra giả thuyết. 

Trong vũ trụ sơ khai, một đám mây khí nguyên thủy khổng lồ có thể sụp đổ trực tiếp thành một lỗ đen, bỏ qua quá trình hình thành và tiến hóa sao thông thường, tạo ra những gì chúng ta gọi là Lỗ đen sụp đổ trực tiếp (DCBH). Các lỗ đen giả thuyết khác được hình thành trực tiếp mà không liên quan đến quá trình tiến hóa sao tiêu chuẩn là Lỗ đen nguyên thủy (PBH). PBH là tàn tích của Vụ nổ lớn được hình thành trong sự biến động mật độ cực độ của vũ trụ sơ khai ngay sau Vụ nổ lớn. 

Các lỗ đen hình thành thông qua các kênh "phi sao" chỉ là giả thuyết, do đó chúng mang tính giả định. Nhưng mọi thứ bắt đầu thay đổi nhanh chóng với sự ra mắt của kính viễn vọng không gian hồng ngoại JWST vào tháng 12 năm 2021, một đài quan sát không gian chuyên dụng để nghiên cứu vũ trụ sơ khai.

Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) đã tạo ra cuộc cách mạng trong việc nghiên cứu vũ trụ sơ khai. 

Kính viễn vọng không gian JWST đã thực hiện một số quan sát thách thức sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ sơ khai. Quan sát thiên hà JADES-GS-z14-0 ở độ dịch chuyển đỏ 14.32 khiến nó trở thành thiên hà xa nhất được biết đến. Thiên hà này được hình thành trong vũ trụ sơ khai khoảng 290 triệu năm sau Vụ nổ lớn, nhưng nó là một thiên hà lớn, đồ sộ và cực kỳ sáng. Nó cũng được phát hiện là giàu kim loại, có nghĩa là các thế hệ sao khổng lồ đã hoàn thành vòng đời của chúng từ khi hình thành đến khi phát nổ siêu tân tinh vào khoảng 290 triệu năm trong vũ trụ sơ khai. Tương tự, thiên hà GS-NDG-9422 trong vũ trụ sơ khai có niên đại khoảng một tỷ năm sau Vụ nổ lớn được phát hiện là có thành phần hóa học phức tạp và không có sao thuộc Quần thể III. Theo hiểu biết hiện tại, thế hệ sao đầu tiên của vũ trụ sơ khai phải là các sao thuộc Quần thể III với độ kim loại bằng không. (Trong thiên văn học, bất kỳ nguyên tố nào nặng hơn heli đều được coi là kim loại. Các phi kim loại hóa học như oxy, nitơ, v.v. là kim loại trong bối cảnh vũ trụ học. Các ngôi sao được làm giàu kim loại trong mỗi thế hệ sau sự kiện siêu tân tinh). 

Kính viễn vọng không gian JWST cũng đã quan sát được các lỗ đen siêu khối lượng trong vũ trụ sơ khai. Một lỗ đen như vậy có niên đại khoảng 700 triệu năm sau Vụ nổ lớn và có khối lượng gấp vài triệu lần khối lượng Mặt Trời. Tất cả bắt đầu từ việc JWST quan sát các Chấm Đỏ Nhỏ (LRD), được phát hiện trong lần công bố dữ liệu đầu tiên của JWST vào năm 2022. Những vật thể nhỏ gọn màu đỏ này có quang phổ hình chữ V và cho thấy sự phát xạ từ khí hydro tốc độ cao. 

Điểm liên lạc nhỏ màu đỏ QSO1 (hay Abell2744-QSO1) 

QSO1 (hay Abell2744-QSO1) là một ví dụ điển hình về các chấm đỏ nhỏ (Little Red Dot) có đường kính khoảng 1,300 năm ánh sáng và nằm cách Trái đất hơn 13 tỷ năm ánh sáng. Nó tồn tại trong vũ trụ sơ khai, chỉ 700 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Nó bị thấu kính hấp dẫn bởi cụm thiên hà Abell 2744 (Cụm Pandora), do đó nó vừa được phóng đại vừa tạo thành ba ảnh, xuất hiện ở ba vị trí khác nhau trên bầu trời. Kết quả là, QSO1 dễ nghiên cứu hơn hầu hết các chấm đỏ nhỏ khác. 

Nghiên cứu chi tiết về "Chấm Đỏ Nhỏ" (LRD) này đã dẫn các nhà nghiên cứu đến kết luận rằng một số lỗ đen siêu khối lượng đã có kích thước khổng lồ ngay từ khi hình thành. Chúng được hình thành mà không trải qua giai đoạn sụp đổ sao và không có thiên hà chủ có khối lượng lớn hơn đáng kể để nuôi dưỡng chúng. 

QSO là viết tắt của Quasi-Stellar Object (thường được gọi là chuẩn tinh). 

Các nghiên cứu ban đầu đã tiết lộ rằng QSO1 không chỉ là một đám mây khí hydro và heli phát sáng quay quanh một lỗ đen siêu khối lượng có khối lượng gấp khoảng 40 triệu lần Mặt Trời. Tuy nhiên, vẫn còn sự không chắc chắn về việc liệu nó thực sự có khối lượng lớn đến vậy hay không. Điều này là do trước đây, tất cả các phép đo khối lượng của lỗ đen trong vũ trụ sơ khai đều là gián tiếp, dựa trên các giả định từ những gì chúng ta biết về chúng trong vũ trụ địa phương. Chúng ta không biết liệu những giả định đó có thực sự áp dụng được cho vũ trụ sơ khai hay không. 

Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng nếu hố đen của QSO1 thực sự có khối lượng lớn như vậy, họ có thể sử dụng thiết bị đo trường tích hợp (IFU) trên kính viễn vọng không gian JWST để theo dõi tác động của lực hấp dẫn của nó lên khí xoáy xung quanh, đồng thời lập bản đồ phân bố các nguyên tố khác nhau trong khí. Do đó, họ đã sử dụng các quan sát từ IFU và lập bản đồ chuyển động của khí hydro bao quanh hố đen. 

Đồ thị biểu diễn vận tốc quay theo khoảng cách từ tâm cho thấy khí có chuyển động Kepler, nghĩa là phần lớn khối lượng của thiên hà nhỏ chấm đỏ QSO1 tập trung ở lỗ đen tại tâm. Nếu khối lượng được phân bố đều, khí sẽ không quay quanh một điểm trung tâm theo cách Kepler hoàn hảo giống như các hành tinh quay quanh Mặt Trời trong hệ mặt trời. 

Do chuyển động Kepler tuân theo định luật hấp dẫn, các phép đo vận tốc khí đã cho phép các nhà nghiên cứu tính toán trực tiếp khối lượng của lỗ đen. Đây là phép đo trực tiếp đầu tiên về khối lượng của một lỗ đen trong vũ trụ sơ khai. Người ta phát hiện ra rằng lỗ đen của QSO1 có khối lượng khoảng 50 triệu khối lượng Mặt Trời. Ngoài ra, lỗ đen này chiếm hai phần ba tổng khối lượng của QSO1. Điều này rất hiếm gặp vì các lỗ đen siêu khối lượng trong các thiên hà lân cận thường chỉ chiếm một phần nhỏ tổng khối lượng của thiên hà chủ.

Hơn nữa, phân tích bản đồ thành phần IFU cho thấy khí trong toàn bộ QSO1 gần như hoàn toàn là hydro và heli. Một thiên hà giàu sao và mảnh vụn sao lẽ ra phải có các nguyên tố nặng hơn như oxy, nhưng QSO1 có độ kim loại cực thấp, dưới 0.5% so với Mặt Trời, điều này cho thấy QSO1 có môi trường thiên hà rất nguyên sơ.

Khối lượng khổng lồ của QSO1 so với thiên hà chủ của nó cho thấy rằng nó không được hình thành từ sự hợp nhất và bồi tụ dần dần của các lỗ đen có khối lượng sao nhỏ hơn. Rõ ràng, lỗ đen của Thiên hà Chấm Đỏ Nhỏ QSO1 tồn tại trước quá trình tiến hóa sao. Nó có thể đã tiến hóa từ một hạt nhân nặng hình thành trong giây đầu tiên của Vụ Nổ Lớn (lỗ đen nguyên thủy) hoặc muộn hơn một chút từ sự sụp đổ của một đám mây khí khổng lồ (lỗ đen sụp đổ trực tiếp) và có thể đang trong giai đoạn đầu hình thành một thiên hà xung quanh nó. Hiện tại, không thể khẳng định liệu lỗ đen siêu khối lượng của Thiên hà Chấm Đỏ Nhỏ QSO1 là lỗ đen nguyên thủy (PBH) hay lỗ đen sụp đổ trực tiếp (DCBH); tuy nhiên, có bằng chứng về sự hình thành lỗ đen không phải từ sao trong vũ trụ sơ khai.

***

Tài liệu tham khảo: 

1. Maiolino R., et al 2026. Một lỗ đen trong một thiên hà gần như nguyên sơ 700 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia, Tập 548, Số 1, tháng 5 năm 2026, staf2109. Xuất bản ngày 06 tháng 4 năm 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. và cộng sự. Đo trực tiếp khối lượng lỗ đen trong một chấm đỏ nhỏ ở độ dịch chuyển đỏ cao. Nature 653, 1017–1021 (2026). Xuất bản ngày 27 tháng 5 năm 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Kính viễn vọng Webb của NASA hé lộ hố đen hình thành trước cả thiên hà của nó. Bài viết được đăng ngày 27 tháng 5 năm 2026. Có thể xem tại đây. https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Các bài liên quan 

Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST): Đài quan sát không gian đầu tiên dành riêng cho việc nghiên cứu vũ trụ sơ khai (6 tháng 11 năm 2021)

Nghiên cứu về Vũ trụ sơ khai: Thí nghiệm REACH nhằm phát hiện vạch quang phổ 21 cm khó nắm bắt từ hydro vũ trụ (3 tháng 8 năm 2022)

Sao lùn nâu (BD): Kính viễn vọng James Webb xác định vật thể nhỏ nhất được hình thành theo kiểu sao (5 tháng 1 năm 2024)

Lỗ đen cổ nhất từ ​​vũ trụ sơ khai thách thức mô hình hình thành lỗ đen (24 tháng 1 năm 2024)

Vũ trụ sơ khai: Thiên hà xa xôi nhất “JADES-GS-z14-0” thách thức các mô hình hình thành thiên hà (12 tháng 8 năm 2024)

Nghịch lý về các ngôi sao giàu kim loại trong vũ trụ sơ khai (27 tháng 9 năm 2024)

***