Hố đen 'ngủ đông' sau khi 'ăn' quá nhiều vật chất

Kính thiên văn vũ trụ James Webb phát hiện một hố đen khổng lồ nhưng không buồn "ăn" vì quá "no". Ảnh: Jiarong Gu/ESA/CSA

Một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế, do Đại học Cambridge (Vương quốc Anh) đứng đầu, đã sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb của NASA/ESA/CSA để phát hiện ra hố đen này ở vũ trụ sơ khai, chỉ 800 triệu năm sau Vụ nổ lớn.

Lỗ đen này rất lớn, gấp 400 triệu lần khối lượng mặt trời của chúng ta khiến nó trở thành một trong những lỗ đen lớn nhất được Webb phát hiện tại thời điểm này trong quá trình phát triển của vũ trụ.

Lỗ đen này lớn đến mức nó chiếm khoảng 40% tổng khối lượng của thiên hà chủ của nó: để so sánh, hầu hết các lỗ đen trong vũ trụ cục bộ chỉ chiếm khoảng 0,1% khối lượng thiên hà chủ của chúng.

Tuy nhiên, dù có kích thước khổng lồ, nó hầu như không còn hoạt động, hoặc hoạt động rất ít. Một hố đen quá lớn như vậy ở giai đoạn đầu của vũ trụ, nhưng không phát triển, thách thức các mô hình hiện có về cách hố đen phát triển.

Khi lỗ đen "ngủ", chúng ít sáng hơn nhiều, khiến chúng khó phát hiện hơn, ngay cả với các kính thiên văn cực kỳ nhạy như Webb. Lỗ đen không thể được quan sát trực tiếp, nhưng thay vào đó, chúng được phát hiện bằng ánh sáng đặc trưng của đĩa bồi tụ xoáy, hình thành gần rìa của lỗ đen. Khí trong đĩa bồi tụ trở nên cực kỳ nóng và bắt đầu phát sáng và bức xạ năng lượng trong phạm vi cực tím.

Tác giả chính Ignas Juodžbalis từ Viện Vũ trụ học Kavli của Cambridge cho biết.  "Mặc dù lỗ đen này đang ngủ yên, nhưng kích thước khổng lồ của nó đã giúp chúng tôi phát hiện ra nó. Trạng thái ngủ yên của nó cũng cho phép chúng tôi tìm hiểu về khối lượng của thiên hà chủ. Vũ trụ sơ khai đã tạo ra một số quái vật tuyệt đối, ngay cả trong các thiên hà tương đối nhỏ".

Theo các mô hình chuẩn, hố đen hình thành từ tàn dư sụp đổ của các ngôi sao chết và tích tụ vật chất lên đến giới hạn dự đoán, được gọi là giới hạn Eddington, khi áp suất bức xạ lên vật chất vượt qua lực hấp dẫn của hố đen. Tuy nhiên, kích thước tuyệt đối của hố đen này cho thấy các mô hình chuẩn có thể không giải thích đầy đủ cách những con quái vật này hình thành và phát triển.

"Có khả năng là các lỗ đen 'sinh ra đã to lớn', điều này có thể giải thích tại sao Webb phát hiện ra các lỗ đen khổng lồ trong vũ trụ sơ khai", đồng tác giả Giáo sư Roberto Maiolino, từ Viện Kavli và Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge cho biết. "Nhưng một khả năng khác là chúng trải qua các giai đoạn hoạt động quá mức, sau đó là các giai đoạn ngủ đông kéo dài".

Làm việc với các đồng nghiệp từ Ý, các nhà nghiên cứu Cambridge đã tiến hành một loạt các mô phỏng máy tính để mô hình hóa cách hố đen ngủ đông này có thể phát triển đến kích thước khổng lồ như vậy vào giai đoạn đầu của vũ trụ.

Họ phát hiện ra rằng kịch bản có khả năng xảy ra nhất là hố đen có thể vượt quá giới hạn Eddington trong thời gian ngắn, trong thời gian đó chúng phát triển rất nhanh, tiếp theo là thời gian dài không hoạt động: Các nhà nghiên cứu cho biết các hố đen như thế này có khả năng ăn trong 5 đến 10 triệu năm và ngủ trong khoảng 100 triệu năm.