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.

Các đài quan sát tia X trên Trái Đất đã phát hiện một sự kiện vũ trụ hiếm gặp, hé lộ sự tồn tại của một loại ‘quái vật vũ trụ’ bí ẩn. Phát hiện này liên quan đến một nguồn tia X mạnh được gọi là HLX-1, nằm trong một thiên hà cách chúng ta khoảng 450 triệu năm ánh sáng.

Sự kiện này là kết quả của một vụ lỗ đen xé sao, hay còn gọi là ‘gián đoạn thủy triều’ (TDE), khi một lỗ đen khối lượng trung bình thức giấc và bắt đầu ‘ăn thịt’ một ngôi sao. Lỗ đen này được cho là có khối lượng trung gian, nằm giữa lỗ đen siêu khối lượng và lỗ đen khối lượng sao, với khối lượng nặng gấp 100-100.000 lần Mặt Trời.

Sự tồn tại của loại lỗ đen này đã được lý thuyết hóa, nhưng chưa bao giờ được quan sát trực tiếp. Sự kiện HLX-1 đã được quan sát vào năm 2009, sau đó nó sáng hơn gấp 100 lần vào năm 2012 và mờ đi vào năm 2023. Các nhà khoa học tin rằng lỗ đen này có thể đã gắn bó với một ngôi sao khổng lồ và ăn dần ngôi sao, dẫn đến các vụ bùng nổ lặp đi lặp lại.

Các nhà nghiên cứu hiện đang chờ đợi để xem liệu lỗ đen này có bùng phát nhiều lần nữa hay không. “Bây giờ chúng ta cần chờ xem liệu nó có bùng phát nhiều lần không, hay có một điểm khởi đầu, một đỉnh điểm, và bây giờ nó sẽ giảm dần cho đến khi biến mất” – nhà thiên văn học Roberto Soria thuộc Viện Vật lý thiên văn quốc gia Ý, đồng tác giả, cho biết.

Sự phát hiện này mang lại hy vọng mới cho việc nghiên cứu về sự hình thành của lỗ đen siêu khối lượng và giúp giải đáp các bí ẩn về vũ trụ. Nó cũng mở ra một hướng nghiên cứu mới về các loại lỗ đen và sự tương tác của chúng với các ngôi sao xung quanh.

Qua việc nghiên cứu các sự kiện như HLX-1, các nhà khoa học hy vọng sẽ có thể hiểu rõ hơn về chu kỳ sống của các ngôi sao và lỗ đen, cũng như vai trò của chúng trong việc hình thành và tiến hóa của vũ trụ.

Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra hơn một chục thiên hà “ngủ đông” mà đã ngừng hình thành sao trong vòng một tỷ năm đầu tiên sau Vụ nổ Big Bang. Khám phá này, được thực hiện bằng dữ liệu từ Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST), làm sáng tỏ một giai đoạn thú vị trong cuộc sống của các thiên hà đầu tiên và có thể cung cấp thêm manh mối về cách các thiên hà tiến hóa.

Có một số lý do khiến các thiên hà ngừng hình thành sao mới. Một trong số đó là sự hiện diện của các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của chúng. Những quái vật này phát ra bức xạ mạnh, làm nóng và làm giảm khí lạnh, thành phần quan trọng nhất cho sự hình thành sao. Ngoài ra, các thiên hà lân cận lớn hơn có thể làm giảm khí lạnh hoặc làm nóng nó, dẫn đến ngừng hình thành sao. Kết quả là, những thiên hà này có thể vẫn ở trạng thái ngủ đông vô thời hạn hoặc trở nên “bị triệt tiêu”.

Một lý do khác khiến các thiên hà trở nên không hoạt động là phản hồi sao. Đó là khi khí trong thiên hà được làm nóng và đẩy ra ngoài do các quá trình sao như siêu tân tinh, gió sao mạnh, hoặc áp lực liên quan đến ánh sáng sao. Thiên hà sau đó trải qua một giai đoạn “yên tĩnh” tạm thời.

Điều này thường là một giai đoạn tạm thời, kéo dài khoảng 25 triệu năm, Alba Covelo Paz, sinh viên tiến sĩ tại Đại học Geneva và tác giả chính của nghiên cứu mới mô tả phát hiện, cho biết. Trong hàng triệu năm, khí đã bị đẩy ra sẽ rơi trở lại, và khí ấm sẽ làm mát lại. Khi có đủ khí lạnh, thiên hà có thể bắt đầu hình thành sao mới.

Trong khi giai đoạn ngủ đông thường được quan sát thấy ở các thiên hà gần đó, các nhà thiên văn học chỉ tìm thấy bốn thiên hà ngủ đông trong tỷ năm đầu tiên của vũ trụ. Ba trong số đó có khối lượng dưới một tỷ khối lượng mặt trời và một có khối lượng trên 10 tỷ khối lượng mặt trời. Các quan sát hạn chế và thuộc tính phân tán của các thiên hà ngủ đông không đủ để có cái nhìn rõ ràng về sự hình thành sao sớm.

Tuy nhiên, sử dụng dữ liệu quang phổ nhạy của JWST, một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã phát hiện ra 14 thiên hà ngủ đông có khối lượng trong phạm vi rộng ở vũ trụ đầu tiên, cho thấy các thiên hà ngủ đông không bị giới hạn ở mức khối lượng thấp hoặc rất cao.

Các phát hiện này đã được tải lên cơ sở dữ liệu bản thảo arXiv vào ngày 27 tháng 6 và chưa được đánh giá đồng nghiệp.

Các nhà nghiên cứu không ngờ rằng họ sẽ thấy các thiên hà ngủ đông trong vũ trụ đầu tiên. Bởi vì những thiên hà này còn trẻ, chúng nên đang hình thành nhiều sao mới, các nhà thiên văn học đã nghĩ. Nhưng trong một bài báo năm 2024, các nhà nghiên cứu đã mô tả phát hiện đầu tiên về một thiên hà ngủ đông trong vũ trụ đầu tiên.

Sự khám phá đầu tiên về một thiên hà ngủ đông trong vũ trụ đầu tiên là một cú sốc vì thiên hà đó đã được quan sát trước đó với Hubble, nhưng chúng tôi không thể biết nó ngủ đông cho đến khi JWST, Paz cho biết.

Không giống như Kính viễn vọng không gian Hubble, công cụ NIRSpec của JWST có thể nhìn thấy ánh sáng từ những thiên hà này đã bị dịch chuyển về phía bước sóng hồng ngoại gần, và cũng cung cấp chi tiết quang phổ về nó.

Các nhà thiên văn học đã tò mò muốn biết tại sao các thiên hà đầu tiên ngừng hình thành sao và liệu điều này có phổ biến trong phạm vi rộng của khối lượng sao. Một giả thuyết là các thiên hà có sự bùng nổ hình thành sao và sau đó là giai đoạn yên tĩnh trước khi bắt đầu lại. Paz và nhóm của cô đã tìm kiếm các thiên hà đang ở giữa các vụ bùng nổ hình thành sao.

Họ đã sử dụng dữ liệu thiên hà có sẵn công khai trong Lưu trữ DAWN JWST.

Họ đã kiểm tra ánh sáng của khoảng 1.600 thiên hà, tìm kiếm dấu hiệu của sao mới không hình thành. Họ cũng tập trung vào các dấu hiệu rõ ràng của sao trung niên hoặc già trong ánh sáng của các thiên hà. Nhóm đã tìm thấy 14 thiên hà, có khối lượng từ khoảng 40 triệu đến 30 tỷ khối lượng mặt trời, đã ngừng hình thành sao.

“Chúng tôi hiện đã tìm thấy 14 nguồn hỗ trợ quá trình bùng nổ này, và chúng tôi đã tìm thấy tất cả đều đã ngừng hình thành sao từ 10 đến 25 triệu năm trước khi chúng tôi quan sát chúng,” Paz giải thích. Điều đó có nghĩa là 14 thiên hà này đã được tìm thấy để tuân theo hình thành sao theo kiểu ngừng-đi, thay vì liên tục hình thành sao, và chúng đã yên tĩnh trong ít nhất 10 đến 25 triệu năm.

Giai đoạn ngủ đông này cho thấy các thiên hà này có thể sẽ tiếp tục hình thành sao trong tương lai, nhưng vẫn còn sự không chắc chắn, Paz thêm. “Chúng tôi không thể xác nhận nó chắc chắn vì chúng tôi không biết làm thế nào lâu họ sẽ vẫn ở trạng thái ngủ đông, và nếu họ tình cờ ở trạng thái ngủ đông thêm 50 triệu năm nữa, điều này sẽ cho thấy nguyên nhân của sự tắt của chúng là khác.”

Tình huống này sẽ cho thấy các thiên hà này đã chết. Tuy nhiên, các thuộc tính hiện tại của các thiên hà này hỗ trợ một chu kỳ hình thành sao liên tục.

Bởi vì các thiên hà ngủ đông rất hiếm, vẫn còn nhiều điều bí ẩn về chúng. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học hy vọng các quan sát trong tương lai sẽ giúp làm sáng tỏ các nhà máy sao đang ngủ này. Một chương trình JWST sắp tới có tên là “Sleeping Beauties” sẽ dành riêng cho việc khám phá các thiên hà ngủ đông trong vũ trụ đầu tiên, Paz cho biết. Chương trình này sẽ cho phép các nhà thiên văn học ước tính thời gian một thiên hà ở trạng thái yên tĩnh và giúp họ hiểu rõ hơn về quá trình hình thành sao liên tục.

“Vẫn còn nhiều điều chưa biết đối với chúng tôi, nhưng chúng tôi đã tiến một bước gần hơn đến việc giải mã quá trình này,” Paz cho biết.