Khi hố đen siêu lớn chạm tới giới hạn: TON 618 và giả thuyết SLAB

Một số hố đen trong vũ trụ giới thiệu những thách thức lớn cho cách chúng ta hiểu về sự sinh trưởng của vật thể khổng lồ. Trong đó, TON 618 thường được dẫn ra như ví dụ cùng các con số khiến giới thiên văn học phải suy ngẫm: khối lượng khổng lồ, độ sáng khó tin và khoảng cách khiến nó hiện lên như một điểm mờ từ Trái Đất.

TON 618: chân dung một chuẩn tinh cực lớn

TON 618 là một chuẩn tinh — một nguồn sáng cực mạnh phát sinh khi vật chất rơi vào hố đen siêu khối lượng ở trung tâm. Các phép quan sát cho thấy khối lượng của đối tượng này lên tới khoảng 66 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, và nó phát sáng với tổng năng lượng tương đương khoảng 140 nghìn tỷ lần ánh sáng Mặt Trời.

Trên bầu trời, vị trí của nó nằm ở ranh giới giữa chòm sao Canes Venatici và Coma Berenices. Khoảng cách ước tính tới TON 618 là vào cỡ 18,2 tỷ năm ánh sáng, khiến hình ảnh thu được từ trái đất chỉ là một chấm mờ dù nguồn sáng thực tế khổng lồ.

Lịch sử phát hiện bắt đầu từ một cuộc khảo sát năm 1957 tại đài quan sát Tonantzintla ở Mexico. Khi ấy, quan sát ban đầu chỉ ghi nhận một vật thể giống ngôi sao xanh mờ; chỉ sau khoảng một thập kỷ, dữ liệu tiếp theo cho thấy phát xạ mạnh mẽ đặc trưng cho quá trình vật chất đang rơi và phát sáng quanh một hố đen.

Tại sao chuẩn tinh có thể phát sáng trong thời gian dài?

Khác với các sự kiện cường độ cao nhưng thoáng qua như siêu tân tinh (thường chỉ rực sáng trong vài tuần), chuẩn tinh có khả năng duy trì độ sáng trong quy mô thời gian hàng triệu năm. Nguyên nhân là nguồn sáng của chuẩn tinh xuất phát từ đĩa bồi tụ quanh hố đen: vật chất khi rơi vào sẽ bị nén và gia nhiệt mạnh, giải phóng bức xạ theo thời gian. Nhờ đó, các chuẩn tinh có thể là những nguồn sáng bền bỉ nhất trong vũ trụ quan sát được.

Giới hạn tăng khối lượng: tại sao hố đen không ăn mãi được?

Một điểm quan trọng mà các nhà thiên văn nhấn mạnh là tốc độ vật chất rơi vào hố đen không phải luôn tăng vô hạn. Khi vật chất bốc nhiệt và phát bức xạ mạnh, năng lượng đó ảnh hưởng quay lại đĩa bồi tụ, làm nóng và đẩy vật chất ra — điều này hạn chế lưu lượng vật chất tiếp tục chảy vào hố đen. Do vậy, có một ngưỡng thực tế cho tốc độ gia tăng khối lượng qua quá trình ăn (accretion).

Dựa trên dữ kiện về tốc độ ăn và độ tuổi vũ trụ đã biết, các chuyên gia ước tính một giới hạn thực tế cho khối lượng hố đen trong những điều kiện thông thường. Một con số được nêu ra trong cộng đồng nghiên cứu là mức khối lượng tối đa khoảng 50 tỷ lần khối lượng Mặt Trời; vượt trên ngưỡng này, cơ chế bồi tụ tiêu chuẩn khó có thể giải thích sự tồn tại của các đối tượng lớn hơn.

Ý tưởng SLAB: khái niệm về “hố đen to lớn vô cùng”

Trước bối cảnh đó, một nhóm nhà nghiên cứu đã đặt định nghĩa cho một lớp hố đen cực đại: những hố đen có khối lượng lớn hơn 100 tỷ lần khối lượng Mặt Trời được gọi tắt là “SLAB” (super-large black holes). Theo quan điểm lý thuyết do một số nhà vũ trụ học trình bày, việc tồn tại các hố đen ở tầm SLAB không bị loại trừ hoàn toàn — tức là, trong các điều kiện thích hợp hoặc qua các kịch bản hình thành đặc biệt, những hố đen như vậy có thể xuất hiện.

Florian Kühnel, nhà vũ trụ học tại Đại học Ludwig Maximilian ở Munich, nhận xét rằng về mặt lý thuyết tồn tại khả năng để những đối tượng cực lớn như vậy hình thành. Tuy nhiên, lời giải về quá trình tạo thành và những điều kiện cần thiết vẫn còn là vấn đề nghiên cứu tích cực.

Hai lộ trình dẫn tới hố đen siêu lớn

Có hai hướng lý giải chính được thảo luận trong cộng đồng khoa học, căn cứ trên các dữ kiện hiện có:

• Sự lớn lên truyền thống: hố đen nhỏ ban đầu sinh ra trong thiên hà sau đó sáp nhập nhiều lần với các hố đen khác và đồng thời ăn vật chất xung quanh, tích lũy khối lượng theo thời gian. Mô hình này hợp lý ở nhiều trường hợp, nhưng gặp khó khi giải thích sự xuất hiện của hố đen cực lớn rất sớm trong lịch sử vũ trụ — khi vũ trụ chỉ mới vài tỷ năm tuổi.
• Hạt giống ban đầu lớn hơn: một giả thuyết thay thế là sự hiện diện của hố đen nguyên thủy. Ý tưởng này cho rằng ngay trong giây đầu tiên sau Big Bang, biến động mật độ trong vũ trụ sơ khai có thể tạo ra những vùng đủ đậm đặc để sụp đổ trực tiếp thành hố đen. Những hố đen nguyên thủy như vậy sẽ cung cấp hạt giống lớn hơn cho quá trình hình thành hố đen sau đó, giúp giải thích các hố đen siêu lớn quan sát được ở thời kỳ rất sớm.

Bernard Carr thuộc Đại học Queen Mary London – một trong các tác giả nghiên cứu liên quan — từng chỉ ra rằng mô hình sáp nhập thuần túy khó bù đắp đủ nhanh để đưa hố đen lên kích cỡ siêu lớn khi vũ trụ còn trẻ, điều này khiến giả thuyết về hạt giống ban đầu là một hướng tư duy hấp dẫn.

Mối liên hệ với vật chất tối

Một hệ quả quan trọng của giả thuyết hố đen nguyên thủy là khả năng chúng góp phần vào khối lượng vật chất tối trong vũ trụ. Hiện nay, vật chất tối chiếm phần lớn khối lượng vũ trụ nhưng bản chất vẫn chưa được xác định trực tiếp; các nhà nghiên cứu chủ yếu suy luận sự tồn tại của nó thông qua các hiệu ứng hấp dẫn lên vật chất nhìn thấy được.

Nếu hố đen nguyên thủy tồn tại với mật độ và phân bố thích hợp, chúng có thể đóng vai trò là một thành phần của vật chất tối — một kịch bản được thảo luận nhưng chưa có bằng chứng quan sát trực tiếp để khẳng định. Luca Visinelli, nhà vật lý hạt nhân ở Đại học Amsterdam, nhắc lại rằng vật chất tối vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ và các giả thuyết về nguồn gốc của nó cần được kiểm chứng bằng quan sát và phân tích tiếp theo.

Những thách thức quan sát và câu hỏi mở

Các hố đen xa như TON 618 khó quan sát chi tiết bởi khoảng cách khổng lồ và vì ánh sáng ta thấy mang theo dấu tích của thời điểm rất xa trong quá khứ. Điều này làm hạn chế khả năng xác định chính xác lịch sử phát triển, tốc độ ăn vật chất trong quá khứ hoặc các sự kiện sáp nhập dẫn tới kích cỡ hiện tại.

Hơn nữa, để chứng minh sự tồn tại của SLAB hoặc vai trò của hố đen nguyên thủy trong vật chất tối cần các chuỗi quan sát dài hạn và mô phỏng lý thuyết tinh vi hơn. Những dữ kiện hiện có có thể gợi mở nhưng chưa đủ để kết luận dứt khoát về nguồn gốc tất cả các hố đen siêu lớn.

Kết luận: gì nên lưu ý khi nhìn vào “gã khổng lồ” vũ trụ

TON 618 là minh chứng rõ ràng cho tốc độ tiến bộ trong quan sát thiên văn: một vật thể được phát hiện từ khảo sát giữa thế kỷ 20 giờ trở thành cơ sở thảo luận về giới hạn khối lượng hố đen và các kịch bản hình thành ban đầu. Mặc dù có những ước tính về khối lượng tối đa dựa trên cơ chế bồi tụ, ý tưởng về SLAB và hố đen nguyên thủy mở ra các hướng nghiên cứu mới, kết nối những câu hỏi về sự lớn lên của hố đen với bài toán rộng lớn hơn là bản chất của vật chất tối.

Câu hỏi thường gặp

TON 618 có phải là hố đen lớn nhất từng biết?
Trong dữ liệu hiện tại, TON 618 được nhắc đến là một trong những hố đen có khối lượng lớn nhất được ước tính — con số xấp xỉ 66 tỷ lần khối lượng Mặt Trời làm nó nổi bật so với nhiều đối tượng khác.

SLAB nghĩa là gì và tại sao quan trọng?
SLAB là thuật ngữ dùng để chỉ những hố đen với khối lượng vượt ngưỡng 100 tỷ lần Mặt Trời. Khái niệm này quan trọng vì nếu tồn tại, SLAB sẽ thách thức các mô hình truyền thống về tốc độ tăng khối lượng của hố đen.

Hố đen nguyên thủy liên quan thế nào tới vật chất tối?
Nếu những hố đen hình thành ngay trong giây đầu của Big Bang tồn tại với số lượng và phân bố phù hợp, chúng có thể đóng góp vào thành phần vật chất tối. Tuy nhiên, điều này hiện vẫn là giả thuyết và cần kiểm chứng thêm.

Mô phỏng hố đen lớn nhất vũ trụ hiện nay TON 618. (Ảnh: Space).

Khi nghiên cứu các hố đen cực đại, điều quan trọng là kết hợp dữ liệu quan sát với mô phỏng lý thuyết và thận trọng khi rút ra kết luận. Những phát hiện và giả thuyết hiện tại — từ khối lượng của TON 618, giới hạn bồi tụ, tới ý tưởng SLAB và hố đen nguyên thủy — đều góp phần mở rộng phạm vi câu hỏi mà giới khoa học đang cố gắng trả lời về nguồn gốc và vận mệnh các đối tượng lớn nhất vũ trụ.

Để mở rộng góc nhìn về cách kính thiên văn James Webb quan sát các hiệu ứng hấp dẫn, bạn có thể tiếp tục tìm hiểu qua bài viết về thấu kính hấp dẫn do James Webb ghi lại, nơi phân tích vai trò của NIRCam và ý nghĩa dữ liệu mới đối với vật lý vũ trụ.

Nếu bạn quan tâm đến những bài học rút ra từ các chu kỳ hoạt động của Mặt Trời và tác động của dự báo sai, bài viết phân tích những bài học từ chu kỳ Mặt Trời 25 sẽ giúp bạn hiểu rõ cách quan sát dài hạn thay đổi mô hình dự báo.

Và để nắm rõ tại sao các nhà khoa học cho rằng vũ trụ không có một điểm trung tâm, hãy đọc phần giải thích sâu hơn trong bài tại sao vũ trụ không có điểm trung tâm, nơi làm sáng tỏ khái niệm vũ trụ quan sát được và hệ quả của tính đồng nhất vũ trụ.