Những lỗ đen siêu khối sơ khai có thể tự lớn lên

Các nhà thiên văn đều biết rằng lỗ đen siêu khối tại tâm của các thiên hà tồn đã tồn tại thời vũ trụ sơ khai, nhưng làm thế nào những vật thể này tích góp đủ sức nặng trong một khoảng thời gian vũ trụ ngắn như thế vẫn là một bí ẩn. Nay, một đội nghiên cứu ở Đức và Mĩ vừa sử dụng một mô phỏng máy tính chứng minh rằng những dòng chất khí lạnh từ bên ngoài một thiên hà trẻ có thể cung cấp khối lượng cho lỗ đen tại tâm của nó đủ nhanh để cho lỗ đen đó lớn lên nhanh chóng.

Lỗ đen siêu khối là những lò luyện tại tâm của các thiên hà. Chúng nuốt lấy những lượng lớn vật chất – giải phóng năng lượng làm cho chất khí xung quanh chúng phát sáng. Các nhà thiên văn gọi những tâm thiên hà đang phát sáng này là quasar, và thí nghiệm Khảo sát Bầu trời Sâu Kính thiên văn Hồng ngoại Anh quốc (UKIDSS) đã tìm thấy ánh sáng từ một quasar đã phát ra tận hồi 800 triệu năm sau Big Bang. Quasar này và một vài quasar khác do thí nghiệm Khảo sát Bầu trời Số Sloan tìm được sáng hơn đáng kể so với trông đợi. Thật vậy, chúng phát ra nhiều ánh sáng đến mức lỗ đen tại tâm của chúng phải hết sức khổng lồ, ít nhất là bằng một tỉ lần khối lượng Mặt trời.

Giả sử một lỗ đen siêu khối bắt đầu cuộc sống là một lỗ đen tương đối nhỏ tại cái lõi đã co lại của một sao siêu mới khổng lồ, Volker Springel thuộc Viện Nghiên cứu Lí thuyết Heidelberg ở Đức cho biết nó cần được cung cấp khối lượng ở tốc độ tối đa của nó từ lúc ra đời về sau để đạt tới khối lượng một tỉ mặt trời hiện nay. “Có vẻ là có thể, nhưng có một chút giả tạo,” ông nói. Đấy là vì tốc độ mà lỗ đen tích góp vật chất tỉ lệ với khối lượng của nó, và vì thế lỗ đen nhỏ thì lớn lên rất chậm.

Ảnh minh họa một quasar với một lỗ đen siêu khối tại tâm của nó. (Ảnh: NASA/ESA)

Co lại trực tiếp

Một giải thích khác là rằng một lượng chất khí rất lớn – chừng 100.000 khối lượng mặt trời – có lẽ đã co lại trực tiếp thành lỗ đen. Nay Springel và các đồng sự - trong đó có đội do Tiziana Di Matteo đứng đầu tại trường Đại học Carnegie Mellon ở Mĩ – đã sử dụng một mô phỏng máy tính chứng minh rằng kịch bản này là có thể.

Đội đã lập mô phỏng vũ trụ trong một cái hộp ảo mỗi cạnh 2,4 tỉ năm ánh sáng – một thể tích chừng bằng 1% vũ trụ nhìn thấy ngày nay. Kích cỡ của mô phỏng này được chọn để tăng xác suất có những quasar cực kì đồ sộ sẽ hình thành từ mô hình đó. Bên trong hộp, chất khí và vật chất tối, một dạng vật chất chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn, được biểu diễn bởi 65,5 tỉ hạt.

“Thật là một thành tựu đáng kể việc có thể mô phỏng một thể tích không gian lớn như thế đến độ chính xác cần thiết để nói lên đôi điều về một lỗ đen,” phát biểu của Daniel Mortlock thuộc trường Imperial College London. Trong khi độ phân giải của nghiên cứu đủ tốt để nhìn vào từng lỗ đen một, thì nó cũng phải đủ thô để làm cho mô phỏng khả thi. Hệ quả là mỗi “hạt” chất khí có khối lượng 57 triệu Mặt trời, còn vật chất tối nặng đến 280 triệu khối lượng mặt trời trên mỗi hạt.

Mô phỏng tỉ năm

Mô phỏng trên chạy trong khoảng thời gian từ 10 triệu năm sau Big Bang đến khoảng 1,3 tỉ năm sau đó. Khi thời gian trôi qua, lực hấp dẫn làm cho các hạt từ từ cụm lại với nhau. Một khi sự tập hợp các hạt chất khí đạt tới một tỉ trọng gắn liền với sự hình thành lỗ đen, thì chương trình đưa một hạt 100.000 khối lượng mặt trời vào chính giữa cụm để biểu diễn một lỗ đen. “Hạt giống” này sau đó bắt đầu bồi tụ các hạt chất khí theo một mô hình tăng trưởng lỗ đen.

Sau 800 triệu năm, một lỗ đen đạt tới 3 tỉ khối lượng mặt trời, còn 9 lỗ đen kia đạt gần mốc tỉ khối lượng mặt trời. Để biết chúng đã phát triển như thế nào, đội nghiên cứu đã phóng to chúng lên, tìm thấy những hạt lớn lên nhanh nhất là do những dòng chất khí dày đặc cung cấp. Bức tranh này ủng hộ quan điểm “những dòng chất khí lạnh” xâm nhập trực tiếp vào trong lỗ đen mà không nóng lên qua sự tương tác với chất khí nóng có trong vùng phụ cận. Mặc dù sự hợp nhất lỗ đen đã được đề xuất là một lộ trình mang đến những lỗ đen siêu khối, nhưng những lỗ đen đã hợp nhất không nằm trong số những lỗ đen lớn nhất có trong mô phỏng.

“Đây là mô phỏng đầu tiên ước tính định lượng những dòng chất khí lạnh có thể lắng những lượng lớn ‘nhiên liệu’ tươi nguyên vào tâm của các thiên hà, có khả năng làm cho những lỗ đen siêu khối lớn lên, thậm chí không cần có sự hợp nhất lỗ đen,” phát biểu của Lucio Mayer thuộc trường Đại học Zürich, Thụy Sĩ. “Tuy nhiên, độ phân giải của các mô phỏng vẫn còn quá thấp để xác định dòng chất khí đó có trực tiếp nuôi lớn lỗ đen tại tâm hay không.” Theo ông, có khả năng hơn là dòng chất khí đó sẽ lắng vào đĩa chất khí xung quanh lỗ đen, từ từ cấp khối lượng cho nó, nhưng hành trạng chi tiết này phải được khảo sát với những mô phỏng có độ phân giải cao hơn.

Lucky_Rua – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn