Hố đen trong vũ trụ hình thành như thế nào?

(Dân trí) - Hố đen là những “gã khổng lồ” có khối lượng gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần Mặt Trời của chúng ta. Chúng tạo ra lực hấp dẫn mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được.

Mô phỏng một hố đen siêu khối lượng (Ảnh minh hoạ: Adobe).

Ở trung tâm của hầu hết các thiên hà đều ẩn chứa một gã khổng lồ vũ trụ: một hố đen siêu khối lượng. Những vật thể bí ẩn này, với khối lượng gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần Mặt Trời của chúng ta, tạo ra lực hấp dẫn mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra.

Các hố đen lớn đến mức chúng định hình các thiên hà xung quanh. Chúng ảnh hưởng đến sự hình thành sao, sự tiến hóa của thiên hà, và thậm chí cả sự chuyển động của toàn bộ các cụm sao.

Ngân Hà của chúng ta cũng không ngoại lệ. Ở trung tâm của nó là Sagittarius A*, một hố đen siêu khối lượng nặng bằng bốn triệu Mặt Trời. Mặc dù những hố đen này rất quan trọng đối với sự tồn tại của các thiên hà, chúng ta vẫn chưa biết chắc chắn chúng hình thành như thế nào.

Tuy nhiên, một nghiên cứu mới về mô hình Pop III.1, do nhà vật lý thiên văn lý thuyết Jonathan Tan ở Trường Đại học Virginia hướng dẫn, đã tiếp cận vấn đề khó hiểu này với một góc nhìn mới mẻ.

Giáo sư Tan dựa trên hàng thập kỷ nghiên cứu để đặt nền móng cho một lý thuyết mới có thể giải thích cách thức hình thành của những thiên thể vũ trụ khổng lồ này.

Theo nghiên cứu của ông và các đồng nghiệp, sự sụp đổ của các ngôi sao thế hệ đầu tiên, còn được gọi là các ngôi sao nguyên thủy, có thể đã dẫn đến sự hình thành của các hố đen siêu khối lượng.

Mô hình Pop III.1

Những ngôi sao hình thành từ hydro và heli nguyên thủy được đặt tên là sao Pop III (Hình minh hoạ: Space).

Vào kỷ nguyên sơ khai của vũ trụ, rất lâu trước khi các thiên hà và hành tinh xuất hiện, thế hệ sao đầu tiên đã ra đời. Những ngôi sao này hình thành từ hydro và heli nguyên thủy, được các nhà vật lý thiên văn đặt tên là sao Pop III.

Mô hình Pop III.1, do giáo sư Jonathan Tan phát triển, mô tả những ngôi sao hình thành trong môi trường không bị ảnh hưởng bởi các nguyên tố nặng hơn. Không có carbon, oxy hay kim loại nặng để điều chỉnh quá trình làm mát, những ngôi sao đầu tiên này có thể đạt đến khối lượng cực lớn.

Hãy tưởng tượng những ngôi sao có khối lượng lớn gấp hàng trăm lần Mặt Trời của chúng ta. Kích thước khổng lồ khiến chúng có tuổi thọ ngắn ngủi, nhanh chóng sụp đổ để hình thành nên những hố đen đầu tiên.

Những hố đen sơ khai này, tàn dư của các ngôi sao Pop III, đóng vai trò như những hạt giống để phát triển thành các hố đen khổng lồ. Cuối cùng, chúng lớn dần và trở thành những hố đen siêu nặng mà con người hiện quan sát thấy ở trung tâm các thiên hà. Các nhà khoa học thậm chí còn phát hiện một hố đen siêu lớn nặng gấp Mặt Trời tới 36 tỷ lần.

Các ngôi sao Pop III.1 còn đóng vai trò quan trọng trong việc định hình vũ trụ sơ khai. Bức xạ mạnh của chúng đã ion hóa khí hydro xung quanh, khởi đầu quá trình tái ion hóa vũ trụ.

Đây là giai đoạn then chốt, khi vũ trụ thay đổi cấu trúc và cân bằng năng lượng. Kết quả là sự chiếu sáng đột ngột của vũ trụ, được gọi là "tia chớp" trong giới thiên văn học.

Ảnh hưởng kép của các ngôi sao Pop III.1 khiến chúng trở thành yếu tố quan trọng trong việc tìm hiểu sự khởi đầu của cấu trúc vũ trụ.

Thách thức và giải pháp thay thế

Mô hình Pop III.1 vẫn được coi là một lý thuyết được giới khoa học chấp nhận (Hình minh hoạ: Space).

Bên cạnh việc giải thích sự ra đời của các hố đen siêu khối lượng, lý thuyết Pop III.1 còn đề cập đến một số vấn đề lớn chưa được giải quyết trong vũ trụ học.

Những vấn đề này bao gồm "căng thẳng Hubble", cuộc tranh luận về năng lượng tối động, và cả những bất thường liên quan đến khối lượng neutrino.

Bằng cách liên hệ những ngôi sao đầu tiên và tàn dư hố đen của chúng với sự tiến hóa quy mô lớn của vũ trụ, mô hình của giáo sư Tan mang đến một góc nhìn độc đáo, có thể giúp làm sáng tỏ nhiều bí ẩn.

Tuy nhiên, kịch bản Pop III.1 không phải là ý tưởng duy nhất. Một số lý thuyết khác cho rằng các hố đen nguyên thủy hình thành trực tiếp từ sự dao động mật độ trong những giây đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn.

Những hố đen này có thể là mầm mống cho các hố đen siêu khối lượng. Một hướng tiếp cận khác chỉ ra sự sụp đổ trực tiếp của các đám mây khí khổng lồ vốn không hình thành nên các ngôi sao.

Mỗi lý thuyết đưa ra cơ chế khác nhau, cùng hướng tới việc giải thích bí ẩn vũ trụ.

Những dự đoán của mô hình Pop III.1 về quá trình ion hóa vũ trụ sơ khai cũng gặp nhiều thách thức. Các giới hạn quan sát từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ, đặc biệt là hiệu ứng Sunyaev–Zeldovich động học, cho thấy lượng và thời điểm tái ion hóa có thể khó dung hòa.

Dù vậy, mô hình Pop III.1 vẫn được coi là một lý thuyết thuyết phục, tiếp tục thúc đẩy cuộc tranh luận về cách thức hình thành một trong những cấu trúc đầu tiên của vũ trụ. 

Nguồn: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/ho-den-trong-vu-tru-hinh-thanh-nhu-the-nao-20250923030226135.htm