Hố đen siêu lớn: liệu những ‘SLAB’ trên 100 tỷ Mặt Trời có thể tồn tại?

Ý tưởng rằng hố đen có thể đạt tới khối lượng khổng lồ hơn những con số quen thuộc khiến nhiều người ngạc nhiên — nhưng nó cũng đặt ra câu hỏi khoa học sâu sắc: cơ chế nào hạn chế sự tăng trưởng của hố đen, và có tồn tại những cá thể vượt xa các kỷ lục hiện nay hay không?

TON 618: ví dụ hiển nhiên của một hố đen khổng lồ

Một trong những đối tượng được nhắc tới nhiều nhất khi thảo luận về hố đen siêu lớn là chuẩn tinh TON 618. Quan sát cho thấy khối lượng của nó vào khoảng 66 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, khiến nó thuộc nhóm có kích thước cực lớn. Trên bầu trời, TON 618 nằm giữa ranh giới của hai chòm sao Canes Venatici và Coma Berenices; khoảng cách từ Trái Đất tới chuẩn tinh này được nêu ở mức khoảng 18,2 tỷ năm ánh sáng.

Vì ở rất xa, TON 618 không hiện rõ chi tiết mà chỉ xuất hiện như một chấm mờ ngay cả qua kính viễn vọng mạnh nhất. Ban đầu, trong thập niên 1950, đối tượng này được phát hiện trong một cuộc khảo sát tại đài quan sát Tonantzintla (Mexico) và bị nhầm là một ngôi sao mờ. Một thập kỷ sau, dữ liệu cho thấy nguồn bức xạ cực lớn phát ra từ vật thể — dấu hiệu của một chuẩn tinh, tức hố đen đang nuốt vật chất xung quanh và phát sáng nhờ năng lượng hấp dẫn.

Độ sáng và nguồn năng lượng của chuẩn tinh

Chuẩn tinh như TON 618 có thể tỏa sáng rất mạnh: năng lượng phát ra được ước tính tương đương hàng trăm nghìn tỷ lần độ sáng của Mặt Trời. Sự khác biệt cơ bản giữa chuẩn tinh và các hiện tượng có độ sáng lớn khác là thời gian tồn tại: những vụ nổ như siêu tân tinh có thể sáng hơn trong thời gian ngắn (vài tuần), còn chuẩn tinh có khả năng chiếu sáng trong khoảng thời gian hàng triệu năm nhờ vật chất liên tục rơi về hố đen và bị nung nóng trong đĩa bồi tụ.

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

Tại sao không phải hố đen nào cũng lớn mãi?

Một điểm then chốt khi xét tới giới hạn kích thước hố đen là cơ chế phản hồi giữa vật chất rơi vào hố đen và bức xạ do quá trình này sinh ra. Khi vật chất rơi vào vùng lân cận hố đen, nó chịu nén và gia nhiệt, giải phóng bức xạ mạnh. Ánh sáng và các dạng bức xạ ấy làm nóng hoặc đẩy vật chất ở vùng ngoài, từ đó cản trở quá trình rơi vào nhanh chóng. Hiệu ứng phản hồi như vậy có tác dụng kiểm soát tốc độ “ăn” của hố đen.

Dựa trên tốc độ nuốt vật chất và tuổi vũ trụ đã biết, các chuyên gia ước tính có một ngưỡng khối lượng mà hố đen khó vượt qua chỉ bằng quá trình hấp thụ vật chất thông thường. Con số được nêu trong các phân tích là khoảng 50 tỷ lần khối lượng Mặt Trời — một giá trị dùng để nhận diện giới hạn sinh trưởng qua accretion trong điều kiện tiêu chuẩn.

Khái niệm SLAB: hố đen “to lớn vô cùng”

Một nghiên cứu gần đây giới thiệu thuật ngữ SLAB cho những hố đen có khối lượng vượt mốc 100 tỷ lần Mặt Trời. Theo một số nhà lý thuyết, về mặt toán học và vật lý học cơ bản, không loại trừ khả năng tồn tại các đối tượng như vậy; Florian Kühnel (Đại học Ludwig Maximilian, Munich) là một trong những nhà khoa học nhận định rằng, trong phạm vi lý thuyết, SLAB có thể xuất hiện.

Tuy nhiên, khả năng hình thành SLAB đặt ra thách thức cho các kịch bản tiến hóa hố đen truyền thống. Nếu chỉ tính đến sự sáp nhập giữa các hố đen nhỏ hơn và quá trình hấp thụ vật chất theo nhịp độ giới hạn, rất khó để đạt được kích thước cực đại ngay trong giai đoạn vũ trụ còn rất trẻ — điều này dẫn tới việc tìm kiếm nguồn gốc khác cho những hố đen siêu lớn và SLAB.

Hai hướng tiếp cận về nguồn gốc hố đen siêu lớn

Trong cộng đồng nghiên cứu tồn tại ít nhất hai ý tưởng chính để giải thích cách một hố đen có thể trở nên rất lớn. Một hướng đi truyền thống cho rằng hố đen ở trung tâm thiên hà bắt đầu từ những hạt nhân nhỏ hơn, sau đó lớn lên nhờ sáp nhập và hấp thu vật chất. Dù vậy, phương án này gặp khó khi cần giải thích sự xuất hiện của hố đen siêu lớn trong thời kỳ sớm của vũ trụ, khi thời gian kể từ Big Bang còn hạn chế — một vấn đề được Bernard Carr (Đại học Queen Mary, London) cùng đồng tác giả nêu ra.

Hướng tiếp cận khác đề xuất rằng một số hố đen có thể là di sản trực tiếp của vũ trụ sơ khai: gọi là hố đen nguyên thủy. Theo kịch bản này, trong những giây đầu tiên sau Big Bang, dao động mật độ trong không gian nóng có thể làm một số vùng tập trung đủ vật chất để sụp đổ thành hố đen ngay lập tức. Những hố đen như vậy có thể trở thành “mầm mống” cho các hố đen lớn hơn xuất hiện sau này, hoặc tồn tại dưới dạng các cá thể có khối lượng rất lớn từ rất sớm.

Mối liên hệ với vật chất tối

Nếu hố đen nguyên thủy thực sự tồn tại và phổ biến, chúng có thể góp phần giải thích một phần — hoặc toàn bộ — hiện tượng mà chúng ta gọi là vật chất tối. Hiện tại, vật chất tối được biết đến chủ yếu nhờ ảnh hưởng hấp dẫn lên vật chất thường; cấu tạo chính xác của nó vẫn là bí ẩn. Luca Visinelli (Đại học Amsterdam) đã nhắc tới thực tế rằng vật chất tối là một trong những câu hỏi lớn còn bỏ ngỏ của vật lý hiện đại, và hố đen nguyên thủy là một trong số các ý tưởng được cân nhắc để giải bài toán này.

Điểm cân nhắc và câu hỏi mở

• Khác biệt giữa các phương thức hình thành: sự sáp nhập và accretion so với sụp đổ trực tiếp trong giai đoạn sơ khai đều có hệ quả khác nhau đối với phân bố khối lượng và thời gian xuất hiện của hố đen lớn.
• Vai trò của phản hồi bức xạ trong giới hạn tăng trưởng nghĩa là ngay cả khi môi trường cung cấp nhiều nhiên liệu, tốc độ hấp thụ có thể bị kìm hãm, khiến việc đạt tới khối lượng SLAB bằng accretion đơn thuần trở nên khó khăn.
• Sự tồn tại của các hố đen có khối lượng như TON 618 (66 tỷ Mặt Trời) trong khi một số ước tính cho ngưỡng tối đa khoảng 50 tỷ đặt ra câu hỏi về tính phù hợp của các giả định dùng để suy ra ngưỡng đó hoặc về lịch sử tiến hóa đặc thù của những đối tượng như TON 618.
• Nếu hố đen nguyên thủy đóng vai trò quan trọng, điều đó sẽ liên quan chặt chẽ tới quy trình vật lý trong giây đầu sau Big Bang — một thời điểm mà các dao động mật độ có thể cho phép sụp đổ trực tiếp thành hố đen.

Những gì cần theo dõi trong tương lai

Quan sát sâu bầu trời, phân tích phổ của chuẩn tinh, và khảo sát thống kê về phân bố khối lượng hố đen ở các khoảng cách khác nhau sẽ tiếp tục là phương tiện để kiểm chứng các ý tưởng này. Việc so sánh khối lượng hố đen với mô tả tiến hoá các thiên hà chủ cũng góp phần làm sáng tỏ liệu các phương thức hình thành truyền thống có đủ để giải thích các đối tượng ngoại lệ hay không.

Kết luận

Tóm lại, dữ liệu hiện có cho thấy vũ trụ chứa những hố đen có khối lượng ngoài sức tưởng tượng, như TON 618; đồng thời, cơ chế vật lý của accretion đặt ra giới hạn tự nhiên cho tốc độ tăng trưởng. Khái niệm SLAB — hố đen vượt 100 tỷ lần Mặt Trời — nằm trong vùng khả tín về mặt lý thuyết, nhưng nguồn gốc của chúng, mối liên hệ với hố đen nguyên thủy và đóng góp vào vật chất tối vẫn là những vấn đề mở. Việc giải đáp đòi hỏi cả quan sát mới và phát triển lý thuyết sâu hơn về thời kỳ sơ khai của vũ trụ.

Câu hỏi thường gặp

TON 618 là gì và vì sao nó được chú ý?

TON 618 là một chuẩn tinh có khối lượng ước tính khoảng 66 tỷ lần Mặt Trời và độ sáng rất lớn; vì vậy nó thường được dẫn ra khi thảo luận về hố đen siêu lớn.

Thuật ngữ SLAB chỉ điều gì?

SLAB được dùng để chỉ những hố đen có khối lượng vượt quá 100 tỷ lần khối lượng Mặt Trời — một cách phân loại để nhận diện các đối tượng cực kỳ lớn.

Hố đen nguyên thủy có liên quan gì tới vật chất tối?

Nếu hố đen hình thành ngay trong giây đầu tiên sau Big Bang tồn tại với mật độ đủ lớn, chúng có thể góp phần giải thích một phần đặc tính hấp dẫn mà hiện gọi là vật chất tối; tuy nhiên điều này vẫn là giả thuyết và cần kiểm chứng.

Đọc thêm các góc nhìn chuyên sâu về thiên văn học và hiện tượng vũ trụ trong các bài liên quan dưới đây.

Muốn hiểu rõ hơn về cách các quan sát hiện đại có thể khiến ta nhìn thấy những hình ảnh bị biến dạng do hấp dẫn, bạn có thể tiếp tục với bài viết James Webb và thấu kính hấp dẫn SDSS J1226+2149 — nội dung đó phân tích ảnh chụp và giải thích vì sao cụm thiên hà có thể phóng đại nguồn sáng phía sau, mở ra cơ hội quan sát vùng rất xa của vũ trụ.

Nếu bạn quan tâm tới cách hoạt động của Mặt Trời và vì sao các dự báo có thể sai lệch, bài viết Chu kỳ Mặt Trời 25 bùng phát mạnh hơn dự báo phân tích các kịch bản và hậu quả của chu kỳ mạnh bất ngờ đối với môi trường không gian gần Trái Đất.

Để đào sâu hơn về khái niệm “trung tâm vũ trụ” và tại sao ý tưởng này không phù hợp với mô tả Big Bang, bạn có thể đọc bài Giải mã khái niệm trung tâm vũ trụ, nơi trình bày trực quan và lý thuyết về vì sao vũ trụ không có một điểm trung tâm duy nhất.