Các nhà thiên văn tại MIT và vài nơi khác đã phát hiện một đốm đỏ cực kỳ sáng trong vũ trụ sơ khai. Vật thể này trông giống một ngôi sao khổng lồ, có kích thước xấp xỉ Hệ Mặt Trời của chúng ta. Nhưng nó cũng phát ra năng lượng lớn gấp 100 tỷ lần mức mà bất kỳ ngôi sao nào đã biết có thể tạo ra về mặt vật lý. Trên thực tế, mức năng lượng như vậy gần với mức mà một lỗ đen có thể tạo ra hơn.
Sự kết hợp kỳ lạ này cho thấy đốm đỏ có thể là một loại nguồn vật lý thiên văn hoàn toàn mới. Các nhà thiên văn gọi nó là một "sao lỗ đen".
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu trình bày phân tích về vật thể mới mà họ phát hiện bằng Kính thiên văn không gian James Webb (JWST) của NASA. Kính thiên văn này phát hiện chấm đỏ sáng trong vũ trụ rất sơ khai, chỉ vài trăm triệu năm sau Big Bang.
Các nhà khoa học kết luận rằng lời giải thích có khả năng nhất cho chấm đỏ kỳ lạ là nó kết hợp giữa một lỗ đen và một ngôi sao - một sự kết hợp chưa từng được quan sát cho đến nay. Vật thể này có thể là một đám mây khí cực kỳ đặc, được cung cấp năng lượng không phải bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân thông thường mà bởi một lỗ đen ở trung tâm.
"Bức tranh của chúng tôi về vật thể này đang thay đổi rất nhanh," tác giả chính Rohan Naidu, một nhà nghiên cứu theo chương trình Hubble và Pappalardo của NASA tại Viện Vật lý thiên văn và Nghiên cứu Không gian Kavli (MKI) của MIT, cho biết. "Chúng tôi cho rằng có một lỗ đen ở trung tâm với khối lượng gấp 100.000 lần Mặt Trời. Và xung quanh lỗ đen này có thể là một lớp bao khí rất rộng, trông giống một ngôi sao có kích thước bằng Hệ Mặt Trời. Nó thực sự khổng lồ."
Nếu chấm đỏ sáng này thực sự là một sao lỗ đen, nó sẽ giúp xác định bản chất của những "chấm đỏ nhỏ" bí ẩn khác đã xuất hiện trong gần như mọi hình ảnh không gian sâu mà JWST chụp được cho đến nay.
"Những chấm đỏ nhỏ này dường như có mặt khắp nơi trong vũ trụ sơ khai nhưng về cơ bản biến mất ở thời điểm hiện tại," Naidu nói. "Chính xác thì những vật thể này là gì đã trở thành một trong những chủ đề được tranh luận nhiều nhất trong kỷ nguyên JWST."
Các đồng tác giả của nghiên cứu tại MIT gồm Giám đốc MKI Robert Simcoe, Giáo sư Vật lý Thực nghiệm Bruno B. Rossi, và Wendy Sun '26, cùng các cộng tác viên từ nhiều cơ sở khác.
Một nguồn độc nhất
Naidu và các đồng nghiệp không có chủ đích tìm kiếm một sao lỗ đen. Họ đang tìm những thiên hà xa nhất và sớm nhất trong khuôn khổ một khảo sát mà họ đặt tên là "Mirage or Miracle" ("Ảo ảnh hay phép màu" / MoM). Nhóm sử dụng JWST để quan sát sâu vào không gian, trở lại thời điểm vũ trụ mới vài trăm triệu năm tuổi. Mục tiêu của họ là tìm kiếm những thiên hà thực sự hình thành vào những thời điểm sơ khai đó.
"Đã có một câu hỏi hóc búa về việc nhiều thiên hà sáng xuất hiện ở những thời điểm cực kỳ sớm," Naidu nói. "Điều chúng tôi phát hiện là thứ trông giống một thiên hà sơ khai cực kỳ sáng, còn được gọi là một 'phép màu' (miracle), trong một số trường hợp thực ra có thể là một 'ảo ảnh' (mirage)."
Khi xem xét các hình ảnh của JWST để tìm những nguồn đáng chú ý làm mục tiêu cho khảo sát, họ nhận thấy một đặc điểm nổi bật so với phần còn lại: một chấm vừa rất đỏ vừa rất sáng.
"Khi nhìn thấy một thứ gì đó rất đỏ trong vũ trụ, chúng tôi thường cho rằng nó được bao quanh bởi bụi, giống như bồ hóng hoặc tro," Simcoe giải thích. "Cũng giống như khói từ các vụ cháy rừng ở Canada gần đây khiến bầu trời Boston trông đỏ rực, các vật thể thiên văn cũng có thể trông đỏ hơn màu sắc nội tại của chúng khi chúng ta nhìn qua một màn bụi."
Nhưng ánh sáng còn có những dấu hiệu khác không hoàn toàn phù hợp với những gì các nhà vật lý dự đoán đối với bụi. Nhóm cũng quan sát thấy một đặc điểm kỳ lạ khác: ánh sáng của chấm này cực kỳ mạnh, ngoại trừ ở phía dưới một số bước sóng nhất định, nơi ánh sáng hoàn toàn biến mất.
Sự sụt giảm quang phổ này được gọi là "điểm gãy Balmer" - một dấu hiệu theo truyền thống gắn với khí đặc hấp thụ photon trong khí quyển của những ngôi sao có tuổi vài trăm triệu năm. Vega, một trong những ngôi sao sáng nhất trên bầu trời đêm, thể hiện chính xác đặc điểm này.
"Điểm gãy mà chúng tôi quan sát được ở vật thể này là điểm gãy sâu nhất từng được quan sát ở bất kỳ vật thể nào, qua đó loại trừ các sao 'thông thường' với tư cách nguồn phát," Naidu nói. "Nhưng điều đó khiến chúng tôi tự hỏi liệu mình có đang nhìn thấy một dạng 'khí quyển sao' mới hay không, nhưng ở một quy mô ngoạn mục."
Hơn nữa, ánh sáng của chấm đỏ hầu như không chứa dấu hiệu của kim loại hay bất kỳ nguyên tố nào ngoài hydrogen và helium. "Nó thực sự độc nhất ở rất nhiều khía cạnh," Naidu nói.
Ánh sáng thuần túy
Để tìm hiểu nguồn của chấm đỏ có thể là gì, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các mô phỏng với nhiều kịch bản khác nhau nhằm xác định tổ hợp đặc điểm vật lý thiên văn nào có thể tạo ra màu sắc đặc trưng của chấm đỏ.
"Chúng tôi bắt đầu đặt câu hỏi: Liệu có thể tạo ra một thứ đỏ đến vậy chỉ bằng hydrogen mà không cần bất kỳ bụi nào hay không?" Simcoe nói. "Điều khiến chúng tôi ngạc nhiên là hóa ra điều đó có thể xảy ra, nếu có một màn hydrogen (hydro) cực kỳ đặc, đặc đến mức nó trông giống bề mặt của một ngôi sao khổng lồ hơn là một tinh vân liên sao loãng."
Các mô phỏng cho thấy chấm đỏ có thể là một nguồn năng lượng mạnh bị che phủ, bao quanh bởi một lớp kén hydrogen cực kỳ đặc. Nếu đúng như vậy, điều này sẽ giải thích điểm gãy Balmer chặn ánh sáng cũng như việc các nhà thiên văn không quan sát thấy dấu hiệu của bất cứ nguyên tố nào ngoài hydrogen (H) và helium (He). Nhưng nó vẫn không giải thích được độ sáng cực lớn của vật thể.
"Bạn có một thứ trông hơi giống một ngôi sao nhưng sáng gấp 100 tỷ lần," Naidu nói. "Điều đó có nghĩa là bạn không thể cung cấp năng lượng cho nó bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân, vốn là nguồn năng lượng nằm ở trung tâm của tất cả những ngôi sao mà chúng ta biết."
Tuy nhiên, các lỗ đen thường xuyên tạo ra năng lượng ở những mức mà nhóm nghiên cứu quan sát được. Naidu và các đồng nghiệp đã đưa một lỗ đen đang hoạt động và bồi tụ vật chất vào các mô phỏng của họ về ngôi sao được bao bọc bởi lớp kén hydrogen, đồng thời thay đổi khối lượng của lỗ đen cùng các tham số khác.
Sau đó, họ so sánh độ sáng thu được của "sao lỗ đen" mô phỏng với độ sáng mà JWST quan sát được từ chấm đỏ.
Từ những mô phỏng này, họ tìm ra trường hợp phù hợp nhất và kết luận rằng kịch bản có khả năng nhất để giải thích chấm đỏ là một sao lỗ đen. Cụ thể, vật thể có thể chứa một lỗ đen trung tâm với khối lượng gấp khoảng 100.000 lần Mặt Trời. Lõi mạnh mẽ này được bao quanh bởi một lớp kén hydrogen đặc, giống một ngôi sao và có kích thước xấp xỉ Hệ Mặt Trời.
Nhóm đã đặt tên cho vật thể là MoM-BH*-1, theo tên khảo sát đã phát hiện ra nó, cũng như biệt danh "black hole star-one" (sao lỗ đen số một), ngụ ý rằng đây là vật thể đầu tiên trong số những vật thể khác. Các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng sao lỗ đen có thể giải thích nhiều chấm đỏ nhỏ khác xuất hiện trong các hình ảnh của JWST. Những vật thể đó không sáng bằng MoM-BH*-1.
"Mọi chấm đỏ nhỏ đều phù hợp với khả năng là một sao lỗ đen nằm bên trong một thiên hà sơ khai thông thường," Naidu nói. "Nhưng điều đặc biệt ở MoM-BH*-1 là sao lỗ đen về cơ bản hoàn toàn lấn át ánh sáng của thiên hà chủ xung quanh, đến mức chúng ta đang nhìn thấy ánh sáng gần như thuần túy từ sao lỗ đen."
Bryan
Theo Phys.org
