Đã có chính thức xác định được các lỗ đen hình thành ngay sau Đại N爌không?

Chúng ta vẫn chưa biết các lỗ đen đầu tiên hình thành như thế nào – hoặc chúng hình thành khi nào. Một nghiên cứu mới kết luận rằng để có được kích thước như ngày nay, có lẽ chúng đã xuất hiện ngay sau khi vũ trụ hình thành.

Hố đen có lẽ là vật thể thú vị nhất trong vũ trụ. Nó là một vật thể (về mặt kỹ thuật, một vùng không thời gian) nặng đến mức trường hấp dẫn của nó không cho phép bất cứ thứ gì, kể cả hạt hay ánh sáng thoát ra. Các lỗ đen rất thú vị vì một số lý do — đầu tiên, chúng cực đoan đến mức kiểm tra hiểu biết của chúng ta về vật lý, và chúng hình thành các hành tinh, ngôi sao và thiên hà xung quanh chúng. Một số người thậm chí còn suy đoán rằng vũ trụ của chúng ta có thể được sinh ra từ một lỗ đen, và mặc dù có một số suy đoán về ý tưởng này, nhưng nó chỉ cho thấy chúng ta thực sự hiểu rất ít về những vật thể này.

Nhưng chính xác khi nào lỗ đen bắt đầu hình thành?

Mọi thứ đều đen

Những ngày đầu của vũ trụ là một mớ hỗn độn nóng bỏng – theo đúng nghĩa đen. Sau vụ nổ Big Bang, vũ trụ về cơ bản là một hỗn hợp các hạt nóng và chỉ khi nó nguội đi thì một số hạt (proton và neutron) mới hình thành các nguyên tử hydro đầu tiên. Tuy nhiên, phải vài trăm triệu năm sau vụ nổ lớn, những ngôi sao đầu tiên mới hình thành, nhưng thời điểm chính xác những ngôi sao này hình thành vẫn còn là một bí ẩn, và điều tương tự cũng có thể nói về lỗ đen.

Các lỗ đen thường được hình thành từ tàn dư của những ngôi sao nặng đã chết trong các vụ nổ siêu tân tinh. Lỗ đen lâu đời nhất được biết đến là 13,80 tỷ năm tuổi, được hình thành chỉ 690 triệu năm sau vụ nổ lớn. Nó cũng là một lỗ đen siêu nặng, gấp 800 triệu lần khối lượng Mặt trời.

Điều này thật khó hiểu. Làm thế nào các lỗ đen hình thành lớn như vậy trong vũ trụ sơ khai, chúng hình thành từ đâu? Bên cạnh đó, chúng ta không thể tìm thấy cái mà hố đen lâu đời nhất, có thể còn có những hố đen lâu đời hơn ngoài kia, và sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về vũ trụ đang gặp khó khăn trong việc giải thích điều gì đó tương tự. Trong khi đó, ở đầu kia của thang đo, có thể đã có một số lỗ đen nguyên thủy nhỏ (như được nhấn mạnh bởi các quan sát từ Gaia của ESA). Những lỗ đen này dường như quá nhỏ để hình thành từ các ngôi sao, vậy chính xác thì chúng hình thành như thế nào?

“Hố đen với các kích cỡ khác nhau vẫn còn là điều bí ẩn. Günther Hasinger, tác giả của một nghiên cứu gần đây về những ngày đầu của lỗ đen, giải thích: “Chúng tôi không hiểu làm thế nào mà một lỗ đen siêu lớn có thể phát triển lớn như vậy trong thời gian tương đối ngắn kể từ khi Vũ trụ tồn tại”.

Hasinger và các đồng nghiệp tin rằng tình trạng khó xử này có thể được giải thích thông qua cái gọi là ‘lỗ đen nguyên thủy’ và bản thân những lỗ đen này có thể là vật chất tối vẫn chưa được giải thích.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng không cần giới thiệu các hạt mới hoặc vật lý mới, chúng ta có thể giải đáp những bí ẩn của vũ trụ học hiện đại từ bản chất của vật chất tối cho đến nguồn gốc của các lỗ đen siêu lớn,” Nico Cappelluti cho biết.

Nếu những lỗ đen nguyên thủy này hình thành ngay sau Vụ nổ lớn, thì chúng xuất hiện từ một vùng không gian nào đó đủ dày đặc để trải qua sự co lại do hấp dẫn. Hố đen này sẽ nuốt chửng khí và các ngôi sao khác, phát triển và hợp nhất thành hố đen siêu lớn mà chúng ta thấy ngày nay ở trung tâm thiên hà. Một lỗ đen nhỏ chỉ đơn giản là một lỗ đen nguyên thủy chưa hợp nhất với lỗ đen khác.

Tuy nhiên, dữ liệu thử nghiệm chưa có sẵn để xác thực mô hình này — chưa. Những vụ sáp nhập lỗ đen ban đầu này sẽ tạo ra tín hiệu và đài quan sát không gian sóng hấp dẫn trong tương lai của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, LISA, có thể thu được tín hiệu.

Kính viễn vọng Không gian James Webb mới được phóng gần đây cũng có thể tìm thấy dấu hiệu của sự hợp nhất lỗ đen nguyên thủy này.

“Nếu những ngôi sao và thiên hà đầu tiên đã được hình thành trong cái gọi là ‘kỷ nguyên đen tối’, Webb sẽ có thể nhìn thấy bằng chứng về chúng,” Hasinger nói thêm.

Tạp chí Tham khảo: “Khám phá Vũ trụ PBH-ΛCDM dịch chuyển đỏ cao: gieo hạt lỗ đen sơ khai, các ngôi sao đầu tiên và nền tia vũ trụ,” của N. Cappelluti, G. Hasinger và P. Natarajan, Tạp chí vật lý thiên văn.