Kính Webb phát hiện siêu hố đen ‘đào thoát’ khỏi thiên hà chủ với vận tốc kinh hoàng

Gần đây, một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã sử dụng kính viễn vọng không gian của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) để xác nhận rằng một vệt sáng mờ, dài bất thường từng được quan sát trước đây trong vũ trụ thực chất là dấu vết do một hố đen đang lao đi với tốc độ cực cao, thoát khỏi thiên hà mẹ để lại. Các nhà nghiên cứu cho rằng phát hiện này có thể giúp giải đáp câu hỏi lâu nay: liệu hố đen có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của thiên hà hay không.

Nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học đến từ Đại học Yale (Mỹ), Đại học Toronto (Canada) và Đại học Tel Aviv (Israel) đã lần đầu tiên xác nhận sự tồn tại của một hố đen siêu khối lượng đang rời xa thiên hà ban đầu của nó với vận tốc lên tới 2 triệu dặm mỗi giờ (tương đương khoảng 3,6 triệu km/giờ).

Kết quả nghiên cứu đã được đăng tải trên máy chủ bản thảo tiền xuất bản arXiv và gửi đăng trên tạp chí Astrophysical Journal Letters (Thư tín Thiên văn Vật lý).

Hố đen này có tên chính thức là RBH-1, lần đầu tiên được phát hiện vào năm 2023 bởi nhóm nghiên cứu do giáo sư thiên văn học và vật lý Pieter van Dokkum của Đại học Yale dẫn đầu. Khi đó, trong một bức ảnh lưu trữ của kính viễn vọng không gian Hubble (HST), nhóm nghiên cứu đã chú ý đến một vệt sáng mờ có hình dạng vô cùng kỳ lạ.

Sau đó, nhóm đã tiếp tục quan sát bằng Đài thiên văn Keck đặt tại Hawaii. Các dữ liệu khi ấy cho thấy vệt tuyến tính kỳ dị này, kéo dài tới 200.000 năm ánh sáng (gấp khoảng hai lần đường kính Ngân Hà), thực chất là một “dấu vết” gồm các ngôi sao trẻ, có nguồn gốc từ một hố đen có khối lượng tương đương 20 triệu lần Mặt Trời.

Mặc dù vào thời điểm đó, các nhà khoa học đã nghi ngờ vật thể bất thường này có thể là một hố đen đang “thoát ly”, nhưng họ vẫn thiếu bằng chứng xác thực. Chỉ đến khi nhóm nghiên cứu sử dụng kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) – với độ nhạy và độ phân giải vượt trội – họ mới có thể xác nhận chắc chắn rằng đây là một hố đen siêu khối lượng đang thoát khỏi thiên hà.

Nguyên nhân là do thiết bị quan sát hồng ngoại trung (mid-infrared) của JWST đã ghi nhận, với độ rõ nét chưa từng có, một dạng sóng xung kích gọi là “sóng kích hình cung” (bow shock) hình thành ở phía trước RBH-1 khi nó di chuyển với tốc độ cực cao.

Các nhà nghiên cứu mô tả hiện tượng “sóng kích hình cung” này tương tự như những gợn sóng mà con tàu tạo ra khi rẽ nước. Tuy nhiên, trong trường hợp này, “con tàu” là một hố đen – đối tượng vốn không thể quan sát trực tiếp – còn “sóng” chính là khí trong thiên hà bị sóng xung kích làm nóng và ion hóa, từ đó phát ra các tín hiệu quang phổ của hydro và oxy.

Nhóm nghiên cứu cho biết, ngoài những hình ảnh có độ phân giải ấn tượng từ JWST, kết quả quan sát lần này còn khớp hoàn hảo với các dữ liệu trước đó thu được từ kính Hubble và kính Keck ở những bước sóng khác nhau, qua đó xác nhận các dự đoán của mô hình lý thuyết.

Theo các nhà khoa học, việc nghiên cứu hố đen “thoát ly” RBH-1 sẽ giúp giới khoa học hiểu sâu hơn về quá trình tiến hóa của thiên hà và hố đen. Lý do là bởi tại trung tâm của Ngân Hà cũng như hầu hết các thiên hà lớn khác đều tồn tại các hố đen siêu khối lượng, và việc liệu những hố đen này có thể thoát khỏi sự ràng buộc hấp dẫn của thiên hà hay không từ lâu vẫn là một câu hỏi chưa có lời giải.

Việc phân biệt hố đen “thoát ly” không hề dễ dàng

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng việc xác định một hố đen có thực sự “thoát khỏi” thiên hà hay không là vô cùng thách thức. Một ví dụ điển hình là thiên hà nổi tiếng “Cú mèo vũ trụ” (Cosmic Owl), cách Trái Đất khoảng 11 tỷ năm ánh sáng. Thiên hà này sở hữu hai nhân thiên hà cùng ba hố đen siêu khối lượng đang hoạt động, trong đó hố đen thứ ba nằm kẹt giữa hai nhân thiên hà trong một đám mây khí.

Trước đây, các nhà khoa học từng nghi ngờ rằng hố đen này cũng là một “kẻ đào thoát”, bị bắn ra ngoài do tương tác hấp dẫn ba vật thể. Tuy nhiên, các quan sát sau đó bằng JWST lại cho thấy hố đen này rất có thể được hình thành tại chỗ thông qua quá trình sụp đổ trực tiếp (direct collapse) trong đám mây khí, chứ không phải bị bật ra khỏi vị trí ban đầu.

Điều này càng làm nổi bật tính độc đáo của RBH-1. Khác với trường hợp còn nhiều tranh cãi của Cosmic Owl, RBH-1 sở hữu các đặc trưng rõ ràng như sóng kích hình cung và độ dốc vận tốc, khiến nó trở thành hố đen siêu khối lượng đầu tiên được xác nhận chắc chắn là đang thoát khỏi thiên hà.

Theo quan điểm chủ đạo hiện nay của giới thiên văn học, các hố đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm thiên hà cực kỳ khó bị bật ra ngoài. Cách duy nhất để chúng thoát ly thường là khi hai hố đen tiến lại cực kỳ gần nhau, hoặc có sự tham gia của một hố đen thứ ba tạo nên tương tác ba vật thể, trong đó các trường hấp dẫn phức tạp có thể “đá văng” một hố đen ra khỏi hệ.

Dựa trên điều này, các nhà nghiên cứu suy đoán rằng hố đen RBH-1 có thể là kết quả của sự tương tác giữa ba hố đen, mỗi hố đen có khối lượng khoảng 10 triệu lần Mặt Trời.

Tuy vậy, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng vẫn cần thêm nhiều quan sát và nghiên cứu sâu hơn đối với hiện tượng này cũng như các hố đen thoát ly khác, nhằm tìm kiếm thêm những ví dụ tương tự. Họ cho rằng kính viễn vọng Euclid đang hoạt động và kính viễn vọng không gian Nancy Grace Roman sắp được phóng lên sẽ có khả năng giúp giải mã thêm những bí ẩn xoay quanh các hố đen này.

Tác giả chính của nghiên cứu, giáo sư Pieter van Dokkum của Đại học Yale – người lần đầu tiên xác nhận sự tồn tại của một hố đen siêu khối lượng “thoát ly” – bày tỏ sự kinh ngạc trước độ rõ nét của dữ liệu quan sát: “Mọi đặc điểm của vật thể này đều cho thấy nó thực sự rất đặc biệt. Việc có thể tận mắt chứng kiến những bằng chứng đặc trưng rõ ràng như vậy khiến chúng tôi vô cùng phấn khích”.