Ngay sau khi được đưa vào hoạt động năm 2022, Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) của NASA đã bắt đầu quan sát ánh sáng từ những giai đoạn đầu tiên của vũ trụ, chỉ vài tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Trong dữ liệu thu được, các nhà khoa học phát hiện vô số chấm đỏ nhỏ li ti phát sáng trong không gian xa xôi. Những vật thể bí ẩn này nhanh chóng được đặt tên là “little red dots” (các chấm đỏ nhỏ, viết tắt là LRDs).
Từ đó đến nay, các LRD trở thành một trong những bí ẩn lớn nhất của ngành thiên văn hiện đại vì chúng dường như đi ngược lại hiểu biết lâu nay của con người về sự hình thành vũ trụ.
Ban đầu, nhiều nhà thiên văn cho rằng các LRD có thể là những ngôi sao khổng lồ ở rất xa Trái Đất. Tuy nhiên, theo thời gian, phần lớn giới nghiên cứu dần đồng thuận rằng bên trong mỗi chấm đỏ này có khả năng tồn tại một hố đen đang phát triển mạnh. Điều gây tranh cãi nằm ở kích thước của các hố đen đó. Một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature cho biết nhóm khoa học đã sử dụng JWST để quan sát một LRD xuất hiện chỉ khoảng 700 triệu năm sau Big Bang. Bằng một phương pháp đo mới được cho là chính xác hơn, họ kết luận hố đen trong vật thể này có khối lượng gấp khoảng 50 triệu lần Mặt Trời. Nếu kết quả này chính xác, nó sẽ làm lung lay nhiều giả thuyết nền tảng về lịch sử vũ trụ.
Nhà thiên văn Jenny Greene thuộc Đại học Princeton nhận định: “Nếu mọi kết luận trong nghiên cứu này là đúng, thì chúng ta đang sống trong một vũ trụ kỳ lạ hơn nhiều so với tưởng tượng”.
Tranh cãi hiện nay xoay quanh một câu hỏi lớn: điều gì hình thành trước — các thiên hà hay các hố đen khổng lồ?
Thông thường, các nhà khoa học cho rằng thiên hà xuất hiện trước, sau đó hố đen phát triển dần ở trung tâm thiên hà. Nhưng nếu những LRD thật sự chứa các hố đen siêu lớn từ thời điểm rất sớm của vũ trụ, điều đó có thể đồng nghĩa rằng chính hố đen mới là “hạt giống” tạo nên các thiên hà. Nói cách khác, hố đen có thể xuất hiện trước cả thiên hà.
Các nghiên cứu ban đầu từng ước tính LRD có khối lượng lên tới hàng triệu lần Mặt Trời, củng cố giả thuyết “hố đen có trước”. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học phản đối vì các phép đo khi đó dựa trên phương pháp gián tiếp vốn được dùng cho các hố đen hiện đại ở vũ trụ ngày nay. Theo họ, môi trường xung quanh LRD hoàn toàn khác biệt: các vật thể này bị bao phủ bởi những đám mây khí dày đặc hơn rất nhiều. Vì vậy, cần có phương pháp đo trực tiếp và đáng tin cậy hơn.
Một số nhà nghiên cứu còn cho rằng LRD không phải hố đen siêu lớn thông thường mà là một dạng thiên thể hoàn toàn mới, được gọi là “black hole stars” — tạm dịch là “ngôi sao hố đen”. Nhìn từ bên ngoài, chúng có thể giống các sao khổng lồ đỏ: một khối khí phát sáng và phình to. Tuy nhiên, thay vì lõi ngôi sao tạo ra phản ứng nhiệt hạch như bình thường, bên trong vật thể này là một hố đen non trẻ đang lớn dần. Khi hố đen “nuốt” khí xung quanh, nó giải phóng năng lượng đủ để giữ cho lớp khí bao ngoài tiếp tục phát sáng. Nếu giả thuyết này đúng, đó cũng sẽ là một cuộc cách mạng trong vật lý thiên văn vì nhân loại sẽ phát hiện ra một loại thiên thể hoàn toàn mới.
Để giải quyết tranh cãi, nhóm nghiên cứu Nature sử dụng kỹ thuật gọi là “quang phổ thiên văn cực nhỏ” (spectroastrometry).
JWST đã quan sát ánh sáng phát ra từ các nguyên tử hydro đang chuyển động trong một vòng xoáy khí quay quanh hố đen. Khi khí chuyển động về phía Trái Đất, ánh sáng trở nên hơi xanh hơn; khi di chuyển ra xa, ánh sáng hơi đỏ hơn tương tự hiệu ứng âm thanh còi xe cứu thương thay đổi khi tiến lại gần rồi đi xa. Nhờ đo sự thay đổi cực nhỏ này, các nhà khoa học có thể tính được tốc độ chuyển động của khí và từ đó suy ra khối lượng vật thể ở trung tâm. Kết quả cho thấy, để tạo ra vận tốc lớn như quan sát được, hố đen này phải có khối lượng khoảng 50 triệu lần Mặt Trời.
Nhà thiên văn Raphael Hviding từ Viện Thiên văn Max Planck nhận xét rằng nếu kết quả này chính xác, nó sẽ “mâu thuẫn trực tiếp” với giả thuyết “ngôi sao hố đen”.
Điều gây sốc hơn là nhóm nghiên cứu cho rằng hố đen này có thể còn nặng hơn cả thiên hà chứa nó, nếu thiên hà đó thực sự tồn tại. Theo các nhà khoa học, một hố đen khổng lồ cô lập như vậy có thể hình thành từ sự sụp đổ trực tiếp của các đám mây khí ngay sau Big Bang. Thậm chí, nó còn có thể là “hố đen nguyên thủy”, loại hố đen giả thuyết được sinh ra chỉ trong giây đầu tiên của vũ trụ. Phát hiện này có thể giúp giải thích nguồn gốc của các hố đen siêu lớn tồn tại ngày nay ở trung tâm hầu hết các thiên hà.
Dù vậy, nhiều nhà khoa học vẫn hoài nghi. LRD nằm quá xa Trái Đất nên việc đo đạc bằng kỹ thuật tinh vi như vậy cực kỳ khó khăn. Jenny Greene cho rằng đây là một phép đo rất táo bạo và đầy thách thức. Cộng đồng khoa học cần thêm các nghiên cứu độc lập để xác nhận kết quả.
Trong tương lai, những kính thiên văn thế hệ mới như Extremely Large Telescope của châu Âu tại Chile có thể giúp giải đáp bí ẩn này khi đi vào hoạt động trong thập niên 2030. Các nhà thiên văn tin rằng vài thập kỷ tới sẽ là giai đoạn then chốt để con người hiểu rõ nguồn gốc của những vật thể lớn nhất vũ trụ - các hố đen siêu lớn, thứ đang chi phối cấu trúc của hầu hết thiên hà.
