Phát hiện hố đen "ngủ đông" xa nhất từng được ghi nhận trong vũ trụ

Thiên thể này nằm ở trung tâm thiên hà MRG-M0138, cách Trái Đất hơn 10 tỷ năm ánh sáng, mang lại những dữ liệu quý giá về sự hình thành và tiến hóa của các hố đen siêu nặng trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science cho thấy hố đen có khối lượng khoảng 6 tỷ lần Mặt Trời và được quan sát tại thời điểm vũ trụ mới chỉ khoảng 3 tỷ năm tuổi, tương đương khoảng một phần tư tuổi hiện nay của vũ trụ.

Nghiên cứu do các nhà khoa học thuộc Đại học College London (UCL), Viện Khoa học Carnegie cùng nhiều cơ sở nghiên cứu quốc tế thực hiện, với sự hỗ trợ của Kính thiên văn không gian James Webb (JWST) của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA).

Theo nhóm nghiên cứu, đây là hố đen ngủ đông xa nhất từng được phát hiện, nằm xa hơn khoảng 15 lần so với kỷ lục trước đó. Khác với các hố đen đang hoạt động mạnh, hố đen ngủ đông gần như "vô hình" đối với các kính thiên văn thông thường. Bản thân hố đen không phát ra ánh sáng và trong trường hợp này, không có vật chất khí đang rơi vào hố đen để tạo ra bức xạ mạnh.

Thông thường, các hố đen siêu nặng đang hoạt động được nhận diện thông qua các nhân thiên hà hoạt động, còn gọi là quasar - những vật thể phát sáng mạnh nhất trong vũ trụ. Tuy nhiên, hố đen tại MRG-M0138 lại ở trạng thái ngủ đông nên việc phát hiện trở nên khó khăn hơn nhiều.

Để xác định sự tồn tại của thiên thể này, các nhà khoa học đã sử dụng dữ liệu từ JWST nhằm theo dõi chuyển động của các ngôi sao quay quanh khu vực trung tâm thiên hà. Bằng cách phân tích tốc độ chuyển động của các ngôi sao cũng như sự khác biệt giữa các ngôi sao ở gần và xa trung tâm, nhóm nghiên cứu đã tính toán được khối lượng của vật thể vô hình nằm ở lõi thiên hà.

Giáo sư Richard Ellis thuộc Khoa Vật lý và Thiên văn học của UCL, đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết việc xác định chuyển động tập thể của các ngôi sao trong vùng lõi thiên hà đã cho phép các nhà khoa học đo được khối lượng của hố đen siêu nặng vốn không thể quan sát trực tiếp. Theo ông, việc chứng minh tính khả thi của phương pháp này đối với các thiên hà trong vũ trụ sơ khai sẽ mở đường cho những cuộc khảo sát toàn diện hơn về sự phát triển của hố đen theo thời gian, đồng thời giúp làm sáng tỏ vai trò của chúng trong quá trình tiến hóa của các thiên hà.

Nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp được sử dụng trong công trình lần này là kỹ thuật động lực học sao - một phương pháp đã được áp dụng để xác định khối lượng hố đen tại trung tâm Ngân Hà và nhiều thiên hà lân cận. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên kỹ thuật này được triển khai thành công đối với một thiên thể ở khoảng cách xa như vậy.

Trước đây, thiên hà xa nhất từng được nghiên cứu bằng phương pháp tương tự chỉ cách Trái Đất khoảng 700 triệu năm ánh sáng. Trong khi đó, MRG-M0138 nằm xa hơn 10 tỷ năm ánh sáng.

Thông thường, việc quan sát chuyển động của các ngôi sao trong một thiên hà xa như vậy gần như không thể thực hiện được. Để vượt qua thách thức này, các nhà khoa học đã tận dụng hiện tượng thấu kính hấp dẫn - một trong những công cụ mạnh nhất của thiên văn học hiện đại. Hiện tượng này xảy ra khi lực hấp dẫn của một thiên hà nằm giữa Trái Đất và thiên hà mục tiêu làm bẻ cong ánh sáng phát ra từ phía sau, tạo ra hiệu ứng như một chiếc kính lúp khổng lồ trong vũ trụ.

Trong trường hợp của MRG-M0138, thiên hà nằm phía trước đã khuếch đại hình ảnh của thiên hà nền lên khoảng 30 lần, giúp JWST quan sát được những chi tiết bên trong vốn không thể nhìn thấy bằng các phương pháp thông thường.

Theo Tiến sĩ Andrew Newman thuộc Viện Khoa học Carnegie tại Pasadena, bang California (Mỹ), tác giả chính của nghiên cứu, đây là một trong những phương pháp chính xác nhất hiện nay để xác định khối lượng hố đen và việc mở rộng kỹ thuật này tới giai đoạn rất sớm của lịch sử vũ trụ là bước tiến đáng kể trong lĩnh vực thiên văn học.

Không chỉ mang ý nghĩa về mặt kỹ thuật quan sát, phát hiện mới còn cung cấp thêm bằng chứng giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn mối quan hệ giữa hố đen siêu nặng và sự phát triển của các thiên hà. Kết quả nghiên cứu cho thấy không chỉ hố đen ở trạng thái ngủ đông mà chính thiên hà MRG-M0138 cũng gần như không còn hoạt động hình thành sao mới.

Các nhà khoa học cho rằng trong quá khứ, thiên hà này có thể từng chứa một quasar rất sáng. Khi hố đen trung tâm hình thành và phát triển nhanh chóng, lượng năng lượng khổng lồ được giải phóng đã làm nóng hoặc đẩy bật phần lớn khí tự do ra khỏi thiên hà. Đây là loại vật chất thiết yếu cho quá trình hình thành các ngôi sao mới. Khi nguồn khí bị suy giảm, hoạt động sản sinh sao dần chấm dứt, khiến thiên hà bước vào trạng thái "ngủ đông" tương tự hố đen ở trung tâm.

Phát hiện này góp phần củng cố giả thuyết cho rằng các hố đen siêu nặng có thể đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ phát triển của thiên hà thông qua tác động lên nguồn vật chất hình thành sao.