Khám phá giới hạn của hố đen: từ TON 618 đến ý tưởng về ‘SLAB’

Có những vật thể trong vũ trụ khiến chúng ta phải điều chỉnh lại thước đo về khối lượng, năng lượng và nguồn gốc. Một trong số đó là các hố đen với khối lượng vượt xa bất kỳ thiên thể thông thường nào — và câu hỏi lớn đang được đặt ra là: chúng có thể lớn tới mức nào, và bằng cách nào những khối lượng khổng lồ ấy xuất hiện?

TON 618: minh chứng cho khối lượng cực hạn

Một trong những ví dụ nổi bật nhất là chuẩn tinh mang tên TON 618. Các quan sát cho thấy khối lượng của nó vào khoảng 66 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, và chuẩn tinh này phát sáng mạnh đến mức được ước tính có độ sáng tương đương 140 nghìn tỷ Mặt Trời. Vị trí quan sát trên bầu trời đặt nó ở ranh giới giữa hai chòm sao Canes Venatici và Coma Berenices, và quãng đường tới chúng ta được nêu là gần 18,2 tỷ năm ánh sáng.

Sự phát hiện ban đầu của TON 618 bắt nguồn từ một cuộc khảo sát tại đài quan sát Tonantzintla, nơi vật thể khi đầu được nhầm là một ngôi sao có màu xanh mờ. Những quan sát tiếp theo cho thấy nguồn bức xạ cực mạnh phát ra từ trung tâm — đặc trưng cho một chuẩn tinh do vật chất đang rơi vào hố đen trung tâm và được gia nhiệt đến nhiệt độ cao, giải phóng năng lượng lớn kéo dài trong thời gian rất dài so với các sự kiện bộc phát như siêu tân tinh.

Tốc độ nuốt vật chất và giới hạn tăng trưởng

Quá trình khiến một hố đen phóng ra bức xạ cường độ lớn đồng thời đặt ra rào cản cho chính tốc độ tăng khối lượng của nó. Vật chất khi rơi vào vùng xung quanh hố đen bị nén và làm nóng, rồi bức xạ phát ra có thể tác động trở lại lên nguồn vật chất đang sẵn có — làm chậm hoặc hạn chế việc cung cấp nhiên liệu tiếp tục cho hố đen. Do vậy, tốc độ ăn vật chất được xem là yếu tố kiểm soát khả năng hố đen phát triển.

Dựa trên các giả thiết liên quan đến tốc độ nuốt vật chất và tuổi vũ trụ đã biết, giới thiên văn ước tính một ngưỡng khối lượng có thể coi là khó vượt qua bằng con đường tích lũy thông thường. Một con số tham chiếu được nêu là khoảng 50 tỷ khối lượng Mặt Trời — mức mà mô hình tăng trưởng theo accretion khó đạt tới hơn nữa trong khung thời gian vũ trụ đã có.

Khái niệm SLAB: hố đen khổng lồ hơn cả siêu lớn

Trong bối cảnh đó, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một thuật ngữ cho những hố đen có khối lượng vượt trội hơn nhiều so với các hố đen siêu lớn thông thường: “hố đen to lớn vô cùng” hay viết tắt là SLAB, dùng cho những hố đen có khối lượng cỡ hơn 100 tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Một số nhà vũ trụ học, trong đó có Florian Kühnel từ Đại học Ludwig Maximilian, nhận định rằng về mặt lý thuyết những hố đen như vậy có thể tồn tại.

Nhận định này đặt ra hai thách thức đồng thời: lý giải cách tạo thành các SLAB và giải thích tại sao chúng chưa phổ biến trong các quan sát, hoặc nếu có thì chúng xuất hiện ở dạng nào trên bầu trời mà chúng ta còn chưa nhận diện được.

Hai con đường hình thành hố đen khổng lồ

Hai cơ chế chính thường được cân nhắc để giải thích sự xuất hiện của hố đen siêu khối lượng: tích lũy dần thông qua ăn vật chất và sáp nhập nhiều hố đen nhỏ hơn. Tuy nhiên, mô hình thuần túy dựa trên các quá trình sáp nhập và accretion gặp khó khi phải giải thích sự xuất hiện của các hố đen có khối lượng rất lớn khi vũ trụ vẫn còn trẻ, một vấn đề được Bernard Carr và những người khác nêu lên trong các thảo luận khoa học.

Vấn đề nằm ở chỗ: nếu tăng trưởng phụ thuộc nhiều vào việc dần dần hút vật chất và hợp nhất, thì để đạt tới hàng chục tỷ, hoặc trăm tỷ lần khối lượng Mặt Trời trong một khoảng thời gian ngắn của lịch sử vũ trụ là điều bất thường theo mô phỏng và suy luận hiện tại.

Hố đen nguyên thủy: một hạt giống sẵn có?

Một giải pháp khả dĩ là giả thuyết về hố đen nguyên thủy — những hố đen được hình thành từ các vùng mật độ tăng đột ngột trong thời kỳ rất sớm sau Big Bang. Lý thuyết nêu rằng chỉ trong khoảng giây đầu tiên sau vụ nổ, những dao động mật độ có thể tạo ra các túi vật chất đủ cô đặc để sụp đổ trực tiếp thành hố đen. Những hố đen nguyên thủy này, nếu tồn tại, sẽ đóng vai trò như “mầm” cho sự phát triển sau đó, giúp giải thích nguồn gốc của những hố đen siêu lớn và có thể cả SLAB.

Ý tưởng này có sức hấp dẫn vì nó rút ngắn con đường cần thiết để đạt khối lượng lớn: thay vì bắt đầu từ hố đen cỡ sao và chờ sáp nhập nhiều lần, một hạt giống ban đầu có khối lượng tương đối lớn sẽ tạo điều kiện cho việc đạt tới khối lượng siêu khổng lồ nhanh hơn trong lịch sử vũ trụ.

Mối liên hệ với vật chất tối

Một hệ quả được thảo luận rộng rãi là khả năng hố đen nguyên thủy góp phần vào thành phần vật chất tối trong vũ trụ. Vật chất tối vẫn là một trong những câu hỏi lớn: nguyên nhân và cấu trúc của nó chưa được xác định rõ và hiện chỉ được suy luận từ tác động lực hấp dẫn lên vật chất thường. Luca Visinelli từ Đại học Amsterdam nhấn mạnh tính bí ẩn của vật chất tối và sự phụ thuộc vào quan sát hấp dẫn để nghiên cứu nó.

Nếu một phần đáng kể vật chất tối thực chất là các hố đen nguyên thủy, điều đó sẽ thay đổi cách tiếp cận tìm kiếm và mô phỏng cấu trúc vũ trụ, đồng thời đặt ra các mục tiêu quan sát mới để xác định dấu vết của những hố đen này trên các thang độ khác nhau.

Ý nghĩa và hướng nghiên cứu tiếp theo

Những khả năng như SLAB hay hố đen nguyên thủy mở ra nhiều câu hỏi quan trọng: làm thế nào phân biệt một hố đen có nguồn gốc nguyên thủy với một hố đen lớn lên từ accretion và sáp nhập; bằng phương pháp quan sát nào ta có thể tìm kiếm chứng cứ thuyết phục cho kịch bản này; và cuối cùng, nếu tồn tại, tần suất cũng như tầm ảnh hưởng của chúng lên tiến hóa thiên hà, phân bố vật chất và cấu trúc lớn của vũ trụ là ra sao.

Về mặt quan sát, thách thức là phát hiện hoặc suy diễn dấu hiệu của các hố đen có khối lượng vượt mức dự kiến, hoặc phân tích các quần thể thiên hà và chuẩn tinh để tìm bất thường về phân bố khối lượng. Về mặt lý thuyết, mô phỏng và tính toán cần tiếp tục tinh chỉnh các kịch bản hình thành, đồng thời so sánh xem kịch bản nào phù hợp nhất với dữ liệu hiện có.

Câu hỏi thường gặp

1. Hố đen TON 618 khác gì so với hố đen thông thường?

TON 618 là một chuẩn tinh với khối lượng ước tính rất lớn và độ sáng cực cao, cho thấy nó chứa một hố đen siêu khối lượng đang tích cực hút vật chất, khác với những hố đen nhỏ hay trung bình ở các hệ sao thông thường.

2. Tại sao có giới hạn khối lượng cho hố đen?

Giới hạn xuất phát từ hiệu ứng phản hồi: bức xạ tỏa ra do vật chất bị gia nhiệt khi rơi vào hố đen có thể ngăn cản vật chất tiếp tục rơi vào, do đó làm chậm tốc độ tăng khối lượng nếu chỉ dựa trên accretion.

3. SLAB có phải là một khái niệm chắc chắn?

SLAB là thuật ngữ dùng để mô tả hố đen với khối lượng vượt mức cỡ 100 tỷ Mặt Trời; đây là một khái niệm đang được thảo luận và nghiên cứu, với một số nhà khoa học cho rằng về mặt lý thuyết chúng có thể tồn tại.

4. Hố đen nguyên thủy có thể giải thích mọi vật chất tối không?

Giả thuyết này được xem là một trong nhiều kịch bản; nó có thể góp phần cho vật chất tối, nhưng việc khẳng định hay phủ nhận đòi hỏi bằng chứng quan sát mạnh mẽ mà hiện tại vẫn còn thiếu.

Kết luận

Việc cân nhắc tồn tại những hố đen vượt xa mọi tưởng tượng không chỉ là trò chơi về con số; nó đặt lại những câu hỏi cơ bản về lịch sử vũ trụ, nguồn gốc các cấu trúc lớn và bản chất của vật chất tối. Từ những quan sát về chuẩn tinh như TON 618 đến các ý tưởng về SLAB và hố đen nguyên thủy, mỗi khả năng đều mở ra các hướng nghiên cứu mới—cả về lý thuyết lẫn quan sát—mà cộng đồng thiên văn đang tiếp tục đào sâu.

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

Nếu bạn hứng thú với các bất ngờ trong quang phổ thiên văn, bài viết về phát hiện methane bất ngờ trên sao lùn nâu W1935 phân tích nguồn gốc khí và những hệ quả cho hiểu biết về khí quyển các vật thể giữa sao và hành tinh; tìm hiểu kỹ hơn tại Phát hiện methane trên sao lùn nâu W1935 và ý nghĩa khoa học.

Những câu hỏi về cách vũ trụ có thể tự khởi sinh vẫn khiến nhiều nhà khoa học tranh luận; nếu bạn muốn đọc một phân tích sâu hơn về các luận điểm và phản biện liên quan tới nguồn gốc vũ trụ, bài viết thảo luận các kịch bản khác nhau có thể hữu ích: Luận điểm và tranh luận về nguồn gốc vũ trụ.

Và nếu bạn quan tâm tới các hệ thống phòng thủ tên lửa và những vụ đánh chặn ở rìa không gian, bài phân tích sự kiện Arrow 2 thảo luận bối cảnh kỹ thuật và hậu quả pháp lý sẽ cung cấp góc nhìn chi tiết hơn; bạn có thể đọc thêm tại Phân tích Arrow 2 và đánh chặn tên lửa vượt đường Kármán.