Điểm Đen Sớm Nhất Mở Cửa Nhìn Hiếm Hoi Về Vũ Trụ Cổ Điển năm 2025

Có ít nhất hai câu hỏi đau đầu mà các nhà thiên văn đặt ra về tỷ lệ nghìn tỷ đầu tiên của vũ trụ, một kỷ nguyên đầy sương mù và bí ẩn tượng trưng. Họ muốn biết điều gì đã làm mất đi sương mù: sao, đám đen siêu khổng lồ, hay cả hai cùng một lúc? Và làm thế nào những đám đen khổng lồ kia có thể phát triển lớn đến vậy trong thời gian ngắn như vậy?

Bây giờ, việc phát hiện một đám đen siêu khổng lồ đúng ở giữa giai đoạn này đang giúp các nhà thiên văn giải quyết cả hai câu hỏi. 'Điều đó là một giấc mơ trở thành hiện thực khi tất cả các dữ liệu này đều đến,' nói Avi Loeb, chủ tịch khoa thiên văn tại Đại học Harvard.

Đám đen, được công bố vào thứ Tư trong tạp chí Nature, là đám đen xa nhất mà bao giờ được phát hiện. Nó có từ cách đây 690 triệu năm sau Đại bang nổ. Phân tích về đối tượng này cho thấy rằng quá trình tái ion hóa, quá trình làm sáng tỏ vũ trụ giống như máy sấy tóc trên gương tắm hơi nước, đã hoàn thành khoảng một nửa vào thời điểm đó. Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng đám đen đã nặng một con số khó giải thích là 780 triệu lần khối lượng của mặt trời.

Một đội ngũ do Eduardo Bañados, một nhà thiên văn tại Viện Carnegie cho Khoa học ở Pasadena, dẫn đầu đã tìm thấy đám đen mới bằng cách tìm kiếm trong dữ liệu cũ những đối tượng có màu phù hợp để là quasars cực kỳ xa—những dấu hiệu rõ ràng của các đám đen siêu khổng lồ nuốt chửng khí. Đội ngũ đã kiểm tra qua một danh sách sơ bộ của ứng viên, quan sát từng người một với một kính viễn vọng mạnh mẽ tại Đài thiên văn Las Campanas ở Chile. Vào ngày 9 tháng 3, Bañados quan sát một chấm mờ trên bầu trời phía nam trong chỉ 10 phút. Một cái nhìn vào dữ liệu thô, chưa xử lý, xác nhận đó là một quasar—không phải một đối tượng gần hơn giả mạo và có thể là quasar cổ nhất từng được tìm thấy. 'Đêm đó, tôi thậm chí không thể ngủ,' anh nói.

Khối lượng của đám đen mới, được tính toán sau nhiều quan sát hơn, thêm vào vấn đề hiện tại. Đám đen tăng kích thước khi chất nền vũ trụ rơi vào chúng. Nhưng quá trình này tạo ra ánh sáng và nhiệt. Đến một lúc nào đó, bức xạ phát ra từ vật liệu khi nó rơi vào đám đen mang đi nhiều động lượng đến nỗi nó ngăn chặn khí mới từ việc rơi vào và làm gián đoạn luồng. Cuộc đấu tug-of-war này tạo ra một giới hạn tốc độ hiệu quả cho sự tăng trưởng đám đen được gọi là tỷ lệ Eddington. Nếu đám đen này bắt đầu nhỏ như một vật thể có kích thước của ngôi sao và phát triển nhanh chóng như lý thuyết có thể, nó không thể đạt được khối lượng ước lượng của nó trong thời gian.

Quasars khác cũng chia sẻ loại trọng lượng trước tuổi này. Quasar xa thứ hai được biết đến, được báo cáo vào năm 2011, nặng khoảng 2 tỷ lần khối lượng mặt trời sau 770 triệu năm thời gian vũ trụ.

Những đối tượng này quá trẻ để có khối lượng lớn như vậy. 'Chúng hiếm, nhưng chúng thực sự tồn tại, và chúng ta cần phải tìm hiểu cách chúng hình thành,' nói Priyamvada Natarajan, một nhà thiên văn học tại Đại học Yale không thuộc đội ngũ nghiên cứu. Người lý thuyết đã dành nhiều năm để học cách làm cho một đám đen lớn hơn trong các mô hình máy tính, cô nói. Công việc gần đây cho thấy rằng những đám đen này có thể đã trải qua những cú tăng trưởng đột ngột trong đó chúng nuốt chửng khí vượt quá tỷ lệ Eddington.

Bañados và đồng nghiệp khám phá một khả năng khác: Nếu bạn bắt đầu từ khối lượng hiện tại của đám đen mới và quay lại băng, hút chất đi với tỷ lệ Eddington cho đến khi bạn tiếp cận Đại bang, bạn sẽ thấy nó phải ban đầu hình thành như một vật thể nặng hơn 1.000 lần khối lượng của mặt trời. Trong cách tiếp cận này, các đám mây sụp đổ trong vũ trụ sớm đã sinh ra những đám đen trẻ con quá khổ, nặng hàng nghìn hoặc hàng chục nghìn lần khối lượng mặt trời. Tuy nhiên, kịch bản này đòi hỏi điều kiện đặc biệt đã cho phép các đám mây khí tụ lại hoàn toàn thành một đối tượng duy nhất thay vì nứt ra thành nhiều ngôi sao, như thường là trường hợp.

Thời kỳ Tối tăm của Vũ trụ

Ngay cả trước khi có bất kỳ ngôi sao hoặc đám đen nào tồn tại, sự hỗn loạn của proton và electron trần trụi đã kết hợp để tạo ra nguyên tử hydro. Những nguyên tử trung hòa này sau đó hấp thụ ánh sáng tia tử ngoại sáng chói từ những ngôi sao đầu tiên. Sau hàng trăm triệu năm, ngôi sao trẻ hoặc quasars phát ra đủ ánh sáng để bóc lột electron khỏi những nguyên tử này, làm tan hơi sương mù vũ trụ như sương sớm.

Các nhà thiên văn đã biết rằng quá trình tái ion hóa lớn phần đã hoàn thành vào khoảng một tỷ năm sau Đại bang. Lúc đó, chỉ còn lại dấu vết của hydro trung tính. Nhưng khí xung quanh quasar mới phát hiện này khoảng một nửa trung tính, một nửa ion hóa, điều này cho thấy rằng, ít nhất trong phần này của vũ trụ, quá trình tái ion hóa chỉ mới hoàn thành một nửa. 'Điều này thực sự là điều rất thú vị, để thực sự vẽ bản đồ cho kỷ nguyên tái ion hóa,' nói Volker Bromm, một nhà thiên văn học tại Đại học Texas.

Khi các nguồn sáng gốc của tái ion hóa lần đầu tiên bật, chúng phải đã tạo ra vũ trụ mờ đục như phô mai Thụy Sĩ. Nhưng những nguồn này là gì, khi nó xảy ra, và quá trình này có đều đặn hay đồng nhất là những điều đang tranh cãi. Quasar mới cho thấy rằng tái ion hóa diễn ra tương đối muộn. Tình huống đó làm cho đám sao và ngôi sao của các dải đỏ biết đến có thể đã làm mà không cần các nguồn sáng sớm hơn để thực hiện nó nhanh hơn, như Bram Venemans, tác giả của nghiên cứu tại Viện Thiên văn học Max Planck ở Heidelberg, nói.

Có thể sẽ có thêm điểm dữ liệu trong tương lai. Đối với những nhà thiên văn học vô tuyến, đang chuẩn bị tìm kiếm sóng phát từ hydro trung tính chính, khám phá này cho thấy họ đang nhìn vào khoảng thời gian đúng. “Tin tốt là sẽ có hydro trung tính để họ nhìn thấy,” Loeb nói. “Chúng tôi không chắc về điều đó.”

Đội ngũ cũng hy vọng xác định thêm quasar khác có ngày trở lại cùng khoảng thời gian nhưng ở các phần khác nhau của vũ trụ sớm. Bañados tin rằng có từ 20 đến 100 đối tượng rất xa, rất sáng như vậy trên toàn bộ bầu trời. Khám phá hiện tại đến từ các cuộc tìm kiếm của đội ngũ trong bầu trời nam; vào năm sau, họ dự định bắt đầu tìm kiếm ở bầu trời bắc cũng.

“Hy vọng điều đó thành công,” Bromm nói. Trong nhiều năm, ông nói, cây gậy đã được chuyển giao giữa các lớp đối tượng khác nhau có vẻ mang lại cái nhìn tốt nhất về thời gian vũ trụ sớm, với sự chú ý gần đây thường đi đến các ngôi sao xa xôi hoặc các loạt sét gamma thoáng qua. “Mọi người gần như đã từ bỏ việc nghiên cứu về quasars,” ông nói.

Truyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập với biên tập thuộc Quỹ Simons, nhiệm vụ của họ là nâng cao sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa ra các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học vật lý và sinh học.