'Tiếng gầm' của lỗ đen: Nó đã giết chết thiên hà già nhất vũ trụ như thế nào?

Lỗ đen có nhiều loại và kích cỡ khác nhau, từ những lỗ đen nhỏ chỉ nặng vài kg đến những lỗ đen siêu lớn gấp hàng chục triệu lần khối lượng Mặt Trời. Lỗ đen siêu lớn là những lỗ đen mạnh nhất trong vũ trụ, chúng thường nằm ở trung tâm các thiên hà và điều khiển sự chuyển động, tiến hóa của chúng. Quá trình hình thành và phát triển của các lỗ đen siêu lớn vẫn chưa được hiểu đầy đủ, nhưng một cơ chế có thể xảy ra là chúng tiếp tục tăng khối lượng bằng cách nuốt chửng khí, bụi, sao và các lỗ đen khác xung quanh.

Khi lỗ đen nuốt chửng vật chất, nó tạo ra một lượng năng lượng và bức xạ khổng lồ, tạo thành một cấu trúc giống như đĩa sáng gọi là đĩa bồi tụ xung quanh lỗ đen. Nhiệt độ và độ sáng của đĩa bồi tụ rất cao, đôi khi còn vượt xa cả thiên hà nơi có lỗ đen. Những lỗ đen như vậy được gọi là nhân thiên hà hoạt động (AGN) và chúng là một trong những nguồn ánh sáng liên tục, sáng nhất trong vũ trụ. Bức xạ từ AGN không chỉ có thể được quan sát mà còn có thể ảnh hưởng đến vật chất xung quanh, chẳng hạn như thúc đẩy dòng khí hoặc cản trở sự hình thành các ngôi sao.

Sao là thiên thể phổ biến nhất trong vũ trụ, được hình thành do sự tích tụ và nén của khí và bụi dưới tác dụng của trọng lực. Sự hình thành sao đòi hỏi mật độ và nhiệt độ đủ để phản ứng tổng hợp hạt nhân bắt đầu và tiếp tục. Sự hình thành của các ngôi sao là một trong những quá trình quan trọng nhất trong vũ trụ vì chúng không chỉ phát ra ánh sáng và nhiệt mà còn sản sinh ra nhiều nguyên tố đa dạng, tạo cơ sở cho sự đa dạng và phức tạp của vũ trụ. Sự hình thành và tiến hóa của các ngôi sao bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, một trong số đó là hoạt động của AGN.

Ngoài việc phát ra ánh sáng cường độ cao, AGN còn phóng ra hai chùm vật chất, gọi là tia, với tốc độ cực cao, có thể di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và chúng có thể di chuyển hàng nghìn năm ánh sáng qua khoảng cách xa, tương tác với các khí và thiên hà xung quanh. 

Lực của các tia có thể đẩy khí ra khỏi thiên hà hoặc có thể làm nóng và phân tán khí, làm giảm mật độ và nhiệt độ của nó. Bằng cách này, khí không thể hình thành sao hoặc chỉ một số ít sao có thể hình thành. Do đó, các tia của AGN có thể ngăn chặn sự hình thành sao một cách hiệu quả và ảnh hưởng đến cấu trúc cũng như sự tiến hóa của các thiên hà.

Lần đầu tiên các nhà thiên văn học phát hiện ra rằng một lỗ đen siêu lớn cổ đại đã bóp nghẹt sự hình thành sao trong một thiên hà vào thời kỳ đầu của vũ trụ - xảy ra chỉ 900 triệu năm sau Vụ nổ lớn, xác nhận dự đoán lý thuyết rằng các lỗ đen cực sáng có thể bóp nghẹt sự hình thành sao bằng cách phun ra những dòng khí tốc độ cao.

Những dòng khí phân tử này kết hợp với oxy và hydro là nhiên liệu chính cho sự hình thành sao. Tuy nhiên, khí do chuẩn tinh phun ra chảy quá nhanh nên không thể tiêu thụ được bởi ngôi sao đang phát triển, do đó chuẩn tinh ức chế khả năng hình thành sao trong khu vực. Các nhà nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ vào ngày 1 tháng 2 trên tạp chí Astronomy & Astrophysics.

Doragan saraku, tác giả chính của nghiên cứu và là trợ lý giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Hokkaido, Nhật Bản, cho biết: “Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy dòng khí phân tử đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành và tiến hóa của các thiên hà từ thời kỳ đầu vì chúng điều chỉnh sự hình thành sao”. “Chuẩn tinh là những nguồn năng lượng đặc biệt, vì vậy chúng tôi kỳ vọng chúng có thể tạo ra dòng năng lượng mạnh”.

Đối tượng của nghiên cứu này là một chuẩn tinh có tên J2054-0005, một lỗ đen siêu lớn nằm cách Trái Đất khoảng 9 tỷ năm ánh sáng, có khối lượng gấp khoảng 1 tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Chuẩn tinh này được quan sát thấy khoảng 1 tỷ năm sau Vụ nổ lớn, điều đó có nghĩa là chúng ta đang nhìn thấy nó như khi vũ trụ còn non trẻ. Chuẩn tinh này sáng hơn Mặt Trời 100 tỷ lần, khiến nó trở thành một trong những chuẩn tinh sáng nhất trong vũ trụ.

Để nghiên cứu xem chuẩn tinh này ảnh hưởng như thế nào đến sự hình thành sao và định hình hình dạng của các thiên hà sơ khai, các nhà thiên văn học đã sử dụng kính thiên văn Atacama (ALMA) ở Chile. ALMA là kính thiên văn vô tuyến gồm 66 ăng-ten, có thể quan sát khí lạnh và bụi trong vũ trụ cũng như tiết lộ nhiều bí ẩn của vũ trụ.

Sử dụng ALMA, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra các dòng khí phân tử xung quanh quasar, bao gồm chủ yếu là oxy và hydro và đang bị phun ra ngoài với tốc độ khoảng 600.000 km/h. Tổng khối lượng của các khí này gấp khoảng 10 triệu lần khối lượng Mặt Trời và nhiệt độ của chúng lên tới hàng nghìn độ C. Sự hiện diện của loại khí này cho thấy các chuẩn tinh đang đẩy vật chất xung quanh ra khỏi thiên hà, ngăn cản sự hình thành các ngôi sao.

Doragan saraku cho biết: "Khí phân tử (OH) thoát ra được tìm thấy trong quá trình hấp thụ. Điều này có nghĩa là bức xạ vi sóng mà chúng tôi quan sát được không đến trực tiếp từ các phân tử OH; thay vào đó, bức xạ mà chúng tôi quan sát được đến từ chuẩn tinh sáng – sự hấp thụ có nghĩa là các phân tử OH tình cờ hấp thụ một số bức xạ từ chuẩn tinh đó".

Khám phá này là bằng chứng quan trọng về lịch sử ban đầu của vũ trụ, cho thấy sự tương tác phức tạp giữa lỗ đen và các thiên hà cũng như tác động của chúng đối với sự tiến hóa của vũ trụ. Đây cũng là minh chứng cho khả năng mạnh mẽ của ALMA, có thể phát hiện các hiện tượng vũ trụ ở xa và tiết lộ những bí ẩn của vũ trụ cho chúng ta.

 Tham khảo: Zhihu