Trong suốt thời gian dài, giới thiên văn học gặp khó khăn trong việc giải thích bằng cách nào các hố đen lại có thể đạt đến kích thước khổng lồ chỉ trong giai đoạn rất sớm của lịch sử Vũ trụ. Các quan sát cho thấy một số hố đen đã trở nên siêu nặng chỉ trong “chớp mắt” vũ trụ, buộc các nhà khoa học phải tìm kiếm một cơ chế đủ mạnh để thúc đẩy tốc độ tăng trưởng phi thường đó. Một nghiên cứu mới của Đại học Maynooth (MU), Ireland, công bố trên tạp chí Nature Astronomy, đã đưa ra lời giải thuyết phục.

Nghiên cứu cho rằng Vũ trụ thời kỳ đầu dữ dội và khó lường hơn nhiều so với giả định trước đây. Trong môi trường đầy hỗn loạn này, các hố đen nhỏ hình thành không lâu sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang) được bao quanh bởi lượng khí đậm đặc khổng lồ, cho phép chúng tăng trưởng với tốc độ cực nhanh.

“Chúng tôi phát hiện rằng những điều kiện hỗn loạn tồn tại trong Vũ trụ sơ khai đã kích hoạt các hố đen nhỏ ban đầu phát triển thành những hố đen siêu nặng mà chúng ta quan sát được về sau, thông qua một ‘cơn cuồng ăn’ nuốt chửng vật chất xung quanh,” Daxal Mehta, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Vật lý, Đại học Maynooth và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Để kiểm chứng giả thuyết này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mô phỏng máy tính chi tiết, có khả năng theo dõi hành vi của vật chất xung quanh các hố đen trẻ trong vài trăm triệu năm đầu tiên của lịch sử Vũ trụ.

“Thông qua các mô phỏng máy tính hiện đại nhất, chúng tôi cho thấy thế hệ hố đen đầu tiên — ra đời chỉ vài trăm triệu năm sau Big Bang — đã phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc, đạt khối lượng lớn gấp hàng chục nghìn lần Mặt Trời,” Mehta nói.

Giải quyết một bài toán thiên văn kéo dài

“Đột phá này đã mở khóa một trong những câu đố lớn của ngành thiên văn học,” Tiến sĩ Lewis Prole, nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại MU và là thành viên nhóm nghiên cứu, nhận định. “Đó là câu hỏi: làm thế nào các hố đen hình thành trong Vũ trụ sơ khai — như những gì kính viễn vọng không gian James Webb quan sát được — lại có thể đạt tới kích thước siêu nặng nhanh đến như vậy.”

Quá trình này xảy ra khi một hố đen hút vật chất với tốc độ vượt xa mức thường được coi là ổn định. Trong điều kiện bình thường, ánh sáng cường độ cao sinh ra trong quá trình này sẽ đẩy vật chất xung quanh ra xa. Tuy nhiên, trong Vũ trụ sơ khai, các hố đen vẫn tiếp tục “ăn” vật chất bất chấp rào cản đó, cho phép chúng gia tăng khối lượng với tốc độ phi thường.

Kết quả nghiên cứu đã cung cấp “mắt xích còn thiếu” giữa những ngôi sao đầu tiên và các hố đen siêu nặng xuất hiện về sau.

“Trước đây, những hố đen nhỏ này được cho là quá bé để có thể phát triển thành những ‘quái vật’ hố đen được quan sát ở trung tâm các thiên hà sơ khai,” Mehta cho biết. “Nhưng nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng, dù ban đầu nhỏ, các hố đen này vẫn có thể tăng trưởng cực kỳ nhanh nếu có điều kiện phù hợp.”

Xem xét lại khái niệm ‘hạt giống’ hố đen

Hố đen thường được phân thành hai nhóm chính, gọi là “hạt giống nhẹ” và “hạt giống nặng”.

Hố đen hạt giống nhẹ hình thành với khối lượng tương đối khiêm tốn, thường chỉ từ khoảng vài chục đến vài trăm lần khối lượng Mặt Trời. Để trở thành hố đen siêu nặng — đạt tới hàng triệu lần khối lượng Mặt Trời — chúng cần trải qua quá trình tăng trưởng kéo dài.

Ngược lại, hố đen hạt giống nặng được cho là đã rất lớn ngay từ đầu, với khối lượng ban đầu có thể lên tới một trăm nghìn lần khối lượng Mặt Trời.

Trong nhiều năm, các nhà thiên văn tin rằng chỉ có hố đen hạt giống nặng mới có thể giải thích sự tồn tại của các hố đen siêu nặng ở trung tâm hầu hết các thiên hà lớn, vì kích thước khởi đầu lớn giúp việc tăng trưởng nhanh trở nên hợp lý hơn.

“Giờ thì chúng tôi không còn chắc chắn như vậy nữa,” Tiến sĩ John Regan, trưởng nhóm nghiên cứu tại Khoa Vật lý của MU, cho biết. “Các hạt giống nặng khá hiếm và có thể đòi hỏi những điều kiện rất đặc biệt để hình thành. Trong khi đó, các mô phỏng của chúng tôi cho thấy những hố đen khối lượng sao ‘bình thường’ cũng có thể tăng trưởng với tốc độ cực đoan trong Vũ trụ sơ khai.”

Nghiên cứu của MU không chỉ định hình lại hiểu biết về nguồn gốc hố đen, mà còn nhấn mạnh vai trò then chốt của các mô phỏng độ phân giải cao trong việc khám phá những bí mật sớm nhất của Vũ trụ.

“Vũ trụ thời kỳ đầu hỗn loạn và dữ dội hơn nhiều so với chúng ta từng nghĩ, đồng thời cũng chứa số lượng lớn các hố đen khối lượng lớn hơn dự đoán,” Tiến sĩ Regan nói.

Hàm ý đối với các sứ mệnh không gian trong tương lai

Kết quả nghiên cứu cũng có ý nghĩa quan trọng đối với sứ mệnh LISA (Laser Interferometer Space Antenna) — dự án hợp tác giữa Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) và NASA, dự kiến phóng vào năm 2035.

“Các quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai từ sứ mệnh này có thể phát hiện các vụ hợp nhất của những hố đen sơ khai nhỏ bé nhưng tăng trưởng rất nhanh,” Tiến sĩ Regan cho biết.