CÂN MỘT HỐ ĐEN 470 TRIỆU NĂM SAU VỤ NỔ LỚN

Các chuẩn tinh (quasar) được cấp năng lượng bởi những hố đen nặng hàng tỉ lần Mặt Trời đã tồn tại khi vũ trụ chưa đầy một tỉ năm tuổi. Chúng lớn nhanh đến thế bằng cách nào vẫn là một trong những câu đố mở của thiên văn học. Các cuộc khảo sát trường rộng đã tìm ra hàng trăm quái vật như vậy, nhưng chỉ những con sáng nhất.

Kính viễn vọng Không gian James Webb đã thay đổi bức tranh. Nó có thể nhìn thấy những nhân thiên hà hoạt động mờ hơn nhiều — những thiên hà có hố đen trung tâm đang nuốt vật chất — bằng cách bắt được các vạch phát xạ rộng: ánh sáng từ khí quay quanh hố đen nhanh đến mức các vạch phổ của nó — những màu chính xác mà mỗi nguyên tố phát ra — bị nhòe ra. Nhiều thiên thể trong số này là những nguồn sáng đặc, trông rất đỏ, được đặt biệt danh là “chấm đỏ nhỏ” (Little Red Dots), mà bản chất vẫn còn đang tranh luận.

Một cuộc tìm kiếm không đi tắt

Xingyao Cai, Akio K. Inoue, Masafusa Onoue và các cộng sự, do Đại học Waseda ở Tokyo dẫn dắt, đã rà soát các phổ công khai của DAWN JWST Archive: 1.247 nguồn có khoảng cách chắc chắn ở độ dịch chuyển đỏ từ 6 đến 10,3 — độ dịch chuyển đỏ, ký hiệu z, đo mức ánh sáng của chúng bị sự giãn nở của vũ trụ kéo giãn: z càng cao, nguồn càng xa và ta càng nhìn ngược về quá khứ xa hơn. Họ không chọn trước theo màu sắc hay kích thước. Với mỗi phổ, họ đặt câu hỏi liệu một mô hình có vạch hydro rộng có khớp tốt hơn mô hình không có vạch đó hay không. 66 ứng viên vượt qua.

Xa nhất là MoM-BL-z10, được quan sát trong chương trình “Mirage or Miracle”, ở độ dịch chuyển đỏ z = 9,9837 — khi vũ trụ mới chỉ 470 triệu năm tuổi.

Vạch hydro-beta rộng của nó, được phát ra dưới dạng ánh sáng khả kiến màu xanh lam-lục, đến với chúng ta bị kéo giãn khoảng mười một lần (1 + z), sang vùng hồng ngoại, ở 5,35 micromet, ngay bên ngoài ngưỡng 5,3 micromet của quy trình xử lý tiêu chuẩn của Webb. Nó chỉ hiện ra được vì quy trình xử lý của kho lưu trữ khôi phục được đoạn phổ phụ thêm đó.

Ảnh Webb của MoM-BL-z10 qua bảy bộ lọc (trên) và phổ của nó, với vạch hydro-beta rộng được khớp ở bên phải. — Hình 1, Cai et al. (2026), arXiv:2610.28735, CC BY 4.0.

Cân hố đen

Vạch rộng được phát hiện với tỉ số tín hiệu trên nhiễu 3,87, chỉ vừa trên ngưỡng 3 mà các tác giả đã đặt ra. Ánh sáng từ khí đang tiến về phía chúng ta bị dịch về một phía, từ khí đang lùi xa thì về phía kia (hiệu ứng Doppler), nên độ rộng của vạch được đo như một khoảng trải rộng của tốc độ: 3.480 kilômét mỗi giây (với độ bất định lớn: −950, +2.040). Tỉ số của các vạch khác, từ neon và oxy, xếp thiên thể này vào nhóm nhân hoạt động chứ không phải thiên hà tạo sao thông thường.

Kết hợp tốc độ của khí với độ sáng của nguồn, thứ quyết định kích thước của vùng phát ra ánh sáng, cho ra một khối lượng “virial” — ước tính đầu tiên như vậy ở độ dịch chuyển đỏ 10:

• với công thức tiêu chuẩn dùng cho chuẩn tinh, khoảng 36 triệu lần khối lượng Mặt Trời (3,6 × 10⁷, trong khoảng chừng 19 đến 94 triệu), nuốt vật chất ở mức 11% tốc độ tối đa lý thuyết, tức giới hạn Eddington — ngưỡng mà vượt quá đó, ánh sáng từ vật chất đang rơi vào sẽ đẩy khí ra xa và khiến hố đen bị bỏ đói;
• với một công thức được đề xuất cho các chấm đỏ nhỏ, và giả định nó nuốt ở mức tối đa đó, khoảng 2,1 triệu lần khối lượng Mặt Trời — ít hơn 17 lần.

Thiên thể trông đặc và có màu sắc đúng như dự đoán cho một chấm đỏ nhỏ, nhưng các tác giả chưa xếp nó vào nhóm này với dữ liệu hiện có.

Quá nặng, quá sớm

Nhóm nghiên cứu lần ngược lại cách một hố đen như vậy có thể đã lớn lên, bắt đầu từ độ dịch chuyển đỏ 25, rất lâu trước mốc 470 triệu năm lúc nó được nhìn thấy. Từ một mầm nhẹ — tàn dư của một ngôi sao nặng 10 đến 100 lần Mặt Trời — để đạt 36 triệu lần khối lượng Mặt Trời cần tốc độ trung bình khoảng gấp đôi giới hạn Eddington. Một mầm nặng từ 10.000 đến 100.000 lần khối lượng Mặt Trời, có thể sinh ra từ sự sụp đổ trực tiếp của một đám mây khí, có thể đạt tới đó khi nuốt ở mức giới hạn. Với tốc độ quan sát được là 11%, nó không bao giờ có thể lớn đến mức này: trong quá khứ hẳn nó đã ăn nhanh hơn.

Các lịch sử tăng trưởng khả dĩ: ngôi sao vàng (khối lượng tiêu chuẩn) nằm ở chỗ mầm nhẹ cần nuốt vượt giới hạn Eddington còn mầm nặng là đủ. — Hình 5, Cai et al. (2026), arXiv:2610.28735, CC BY 4.0.

Ngay cả khối lượng thấp hơn cũng vẫn khó đạt được từ một mầm sao lớn lên ở mức giới hạn.

Ở rìa khả năng của Webb

MoM-BL-z10 nay là nhân hoạt động có vạch rộng xa nhất từng được biết, vượt qua CAPERS-LRD-z9 ở z = 9,29. Hai ứng viên trước đây gần độ dịch chuyển đỏ 10, UHZ1 và GN-z11, chưa bao giờ cho thấy một vạch rộng được phát hiện chắc chắn. Vì vạch hydro ở đây nằm sát rìa của máy quang phổ trên Webb, các tác giả ngờ rằng độ dịch chuyển đỏ 10 có thể đã gần giới hạn thực tế để tìm các hố đen mờ theo cách này. Một cuộc tìm kiếm lớn hơn, kèm danh mục đầy đủ, đang được chuẩn bị.