Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) đã đạt được một phát hiện quan trọng khi ghi nhận những hố đen đầu tiên đang ‘ngốn’ các ngôi sao trong các thiên hà bị bụi vũ trụ che khuất. Thông tin này được công bố trong một nghiên cứu trên tạp chí Astrophysical Journal Letters vào ngày 1/8.

Sử dụng khả năng quan sát hồng ngoại vượt trội của mình, JWST đã có thể nhìn xuyên qua lớp bụi dày đặc để phát hiện ra các sự kiện hiếm gọi là TDE (tidal disruption event), xảy ra khi một ngôi sao bị kéo vào quá gần một hố đen và bị kéo giãn thành đĩa khí nóng trước khi bị nuốt chửng.

Thông thường, TDE được phát hiện thông qua bức xạ tia X, cực tím hoặc ánh sáng khả kiến phát ra từ khí sao bị nung nóng. Tuy nhiên, trong môi trường đầy bụi, các tín hiệu này gần như bị chặn hoàn toàn.

Nhưng JWST đã tận dụng được khả năng phát ra ánh sáng hồng ngoại của bụi vũ trụ sau khi hấp thụ năng lượng, cho phép kính viễn vọng này phát hiện ra các tín hiệu đặc trưng.

Tiến sĩ Megan Masterson, nhà vật lý thiên văn tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), cho biết JWST gần như là cách duy nhất để nghiên cứu các hố đen đang ăn sao nhưng bị bụi che kín.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng JWST để tập trung vào 4 trường hợp tiềm năng và phát hiện ra các nguyên tử bị ion hóa mạnh – một dấu hiệu rõ ràng cho thấy có bức xạ năng lượng cao từ hố đen đang hoạt động.

Đồng thời, dấu vết của bụi silicat cũng cho thấy các sự kiện này nhiều khả năng liên quan đến các hố đen ‘ngủ yên’ vừa tỉnh dậy để ‘ăn nhẹ’ một ngôi sao.

Mô phỏng máy tính sau đó đã xác nhận các quan sát của JWST hoàn toàn phù hợp với kịch bản TDE.

Phát hiện này không chỉ giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách các hố đen hoạt động trong môi trường nhiều bụi – vốn chiếm phần lớn vũ trụ, mà còn mở ra một phương pháp mới để ‘nhìn thấy’ những hố đen từ trước đến nay gần như vô hình.

Một nghiên cứu mới được công bố gần đây đã tiết lộ về vụ va chạm giữa hai hố đen với quy mô lớn nhất từng được ghi nhận, được ký hiệu là GW231123. Sự kiện này được xem là vụ hợp nhất hố đen lớn nhất trong lịch sử quan sát, với mỗi hố đen có khối lượng gấp hàng trăm lần khối lượng của Mặt Trời.

Vụ va chạm này được phát hiện bởi nhóm các nhà thiên văn học khi sử dụng Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO). Họ đã quan sát thấy những gợn sóng mờ nhạt trong không-thời gian sinh ra từ vụ va chạm giữa hai hố đen. Các nhà vật lý gọi những gợn sóng này là sóng hấp dẫn.

Sóng hấp dẫn đã được dự đoán bởi Albert Einstein vào năm 1915 trong thuyết tương đối rộng của ông. Tuy nhiên, Einstein cho rằng chúng quá yếu nên các công nghệ của con người chưa thể phát hiện. Phải đến năm 2016, LIGO mới lần đầu tiên ghi nhận được sóng hấp dẫn trong một vụ va chạm giữa hai hố đen.

Kể từ lần phát hiện đầu tiên, LIGO cùng các thiết bị đồng hành, gồm Virgo ở Ý và KAGRA ở Nhật Bản, đã ghi nhận khoảng 300 vụ hợp nhất hố đen. Tuy nhiên, GW231123 là trường hợp đặc biệt trong số hơn 300 vụ hợp nhất đã được ghi nhận, không chỉ vì quy mô khổng lồ của vụ va chạm.

Các hố đen riêng lẻ trong vụ va chạm này đặc biệt bởi chúng có khối lượng nằm trong khoảng mà các nhà khoa học không nghĩ rằng chúng được tạo ra từ cái chết của các ngôi sao. Hơn nữa, hai hố đen này còn có khả năng quay gần như với tốc độ tối đa cho phép về mặt vật lý.

GW231123 đặt ra một thách thức lớn đối với hiểu biết hiện tại của chúng ta về quá trình hình thành hố đen. Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, lực hấp dẫn là sự uốn cong của không-thời gian, buộc các vật thể phải di chuyển theo những đường cong trong không gian.

Tuy nhiên, theo chuyên gia Mark Hannam, những sóng hấp dẫn này lại vô cùng yếu và các nhà khoa học đang gặp hạn chế về những thông tin chúng có thể cung cấp. Hiện vẫn chưa xác định được chính xác khoảng cách của GW231123 so với Trái Đất, nhưng nó có thể cách chúng ta tới 12 tỷ năm ánh sáng.

Nhà khoa học Hannam cho biết nhóm nghiên cứu tự tin về khối lượng của hai hố đen, được ước tính lần lượt là gấp khoảng 100 và 140 lần khối lượng Mặt Trời. Những con số này đã khiến giới khoa học bối rối.

Có những cơ chế tiêu chuẩn hình thành hố đen, đó là khi một ngôi sao cạn nhiên liệu, chết và sụp xuống. Tuy nhiên, có một khoảng khối lượng mà các nhà khoa học cho rằng không thể hình thành hố đen theo cách đó và các hố đen trong GW231123 lại nằm chính giữa khoảng khối lượng đó.

Do đó, câu hỏi đặt ra là chúng được hình thành bằng cách nào? Điều đó khiến chúng trở nên vô cùng thú vị. Một đặc điểm đáng chú ý khác của GW231123 là tốc độ quay quanh nhau cực kỳ nhanh của hai hố đen.

Cho đến nay, phần lớn các hố đen mà chúng tôi phát hiện thông qua sóng hấp dẫn đều quay tương đối chậm. Điều này cho thấy GW231123 có thể được hình thành theo một cơ chế khác so với các vụ hợp nhất từng quan sát trước đó, hoặc cũng có thể là dấu hiệu cho thấy các mô hình hiện tại của chúng ta cần được điều chỉnh.

Theo Giáo sư Mark Hannam, tốc độ quay nhanh như vậy rất khó hình thành trong điều kiện thông thường nhưng lại củng cố giả thuyết rằng hai hố đen trong sự kiện này có thể đã trải qua những vụ hợp nhất trước đó vì hố đen từng hợp nhất thường có xu hướng quay nhanh hơn.