Euclid phát hiện nhiều quasar cổ đại trong một năm hơn cả thập kỷ nghiên cứu trước đó

Trong suốt một thập kỷ qua, việc xác nhận một chuẩn tinh duy nhất được cung cấp năng lượng bởi một lỗ đen đã nặng tới một tỷ khối lượng Mặt Trời khi vũ trụ chưa đầy một tỷ năm tuổi đòi hỏi sự phối hợp giữa nhiều kính thiên văn và nhiều tháng theo dõi quang phổ. Tổng kết quả tích lũy từ những nỗ lực đó chỉ vào khoảng mười vật thể đã được xác nhận. Trong năm đầu tiên hoạt động khoa học, Euclid đã xác nhận mười hai.

Con số đó là kết quả trung tâm của một bài báo do nghiên cứu sinh tiến sĩ Daming Yang tại Đại học Leiden và các đồng nghiệp thực hiện, được đăng trên tạp chí Astronomy & Astrophysics như một phần trong số đặc biệt gồm 41 bài báo dựa trên dữ liệu một phần tư bầu trời đầu tiên của Euclid. Danh mục đầy đủ chứa 31 chuẩn tinh chưa từng được biết đến từ kỷ nguyên sớm nhất của vũ trụ — những nguồn sáng cổ xưa, mỗi nguồn phát ra năng lượng tương đương khoảng một nghìn tỷ Mặt Trời, được cung cấp năng lượng bởi các lỗ đen siêu khối đã tồn tại khi vũ trụ còn là một phần nhỏ so với tuổi hiện tại.

Hai vật thể xa nhất trong danh mục, mang tên EUCL J172902.75+641018.1 và EUCL J125308.55+705432.3, có redshift lần lượt là 7,77 và 7,69, đưa chúng vào nhóm những vật thể xa nhất từng được phân giải riêng lẻ trong bất kỳ cuộc khảo sát nào. Ánh sáng của chúng đã rời đi khi vũ trụ mới khoảng 670 triệu năm tuổi.

Cách Euclid xác định các vật thể trông giống như những ngôi sao thông thường

Phát hiện các chuẩn tinh cổ đại là bài toán kim trong đống rơm. Ở khoảng cách cực xa, bức xạ tử ngoại của một chuẩn tinh đã bị kéo dãn bởi sự giãn nở của vũ trụ thành vùng hồng ngoại gần, một sự dịch chuyển khiến các vạch quang phổ đặc trưng của nó nằm ở những bước sóng mà hầu hết các thiết bị mặt đất khó tiếp cận một cách hiệu quả. Thực tế hơn, vẻ ngoài mờ đỏ của những vật thể này khiến chúng gần như không thể phân biệt được với các ngôi sao lùn loại M ở gần hơn nhiều và phổ biến hơn nhiều trong các ảnh chụp ánh sáng khả kiến tiêu chuẩn. Hầu hết các phát hiện trước Euclid phụ thuộc vào việc ghép đối sánh các vật thể qua nhiều cuộc khảo sát có độ sâu và dải lọc khác nhau, sau đó ưu tiên các ứng viên cho thời gian quan sát đắt đỏ trên các kính thiên văn lớn.

Euclid giải quyết cả hai vấn đề cùng lúc. Máy quang phổ và trắc quang hồng ngoại gần (NISP) của nó bao phủ các bước sóng từ 0,95 đến 2,0 micron, chính xác nơi vạch phát xạ Lyman-alpha bị dịch chuyển đỏ từ các chuẩn tinh có z≥7 rơi vào, đồng thời thu thập trắc quang băng thông rộng cho phép chọn lọc ứng viên ban đầu. Diện tích khảo sát, được thiết kế để cuối cùng bao phủ một phần ba bầu trời ở độ sâu không thể đạt được từ mặt đất, tạo ra một khối lượng thống kê đủ lớn để chứa các mẫu hữu ích của những vật thể hiếm nhất. “Ánh sáng nguyên thủy của chúng vừa mờ vừa dễ bị nhầm lẫn với ánh sáng từ các ngôi sao nằm gần chúng ta hơn,” Antonio La Marca, nghiên cứu viên của ESA trong nhóm Euclid, cho biết.

Nhóm của Yang đã áp dụng một thuật toán chọn lọc trắc quang vào dữ liệu Q1, xác định các ứng viên phù hợp với chuẩn tinh ở z≥7, và xác nhận phát hiện bằng chế độ quang phổ của NISP mà không cần đến một chiến dịch quan sát mặt đất riêng biệt. Hiệu quả đạt được so với các phương pháp khảo sát trước đây là sự khác biệt giữa kết quả tích lũy của một thập kỷ và mười hai vật thể được xác nhận trong một năm.

Ý nghĩa thực sự của ngưỡng redshift-7

Redshift định lượng mức độ vũ trụ đã giãn nở kể từ khi một photon được phát ra. Redshift z=7 tương ứng với vũ trụ có kích thước tuyến tính bằng khoảng một phần tám so với hiện tại, tương đương với thời gian nhìn lại khoảng 13 tỷ năm và tuổi vũ trụ là 670 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn. Vào thời điểm đó, vũ trụ đang hoàn thiện quá trình tái ion hóa, sự chuyển đổi trong đó bức xạ tử ngoại từ các nguồn sáng đầu tiên đã ion hóa khí hydro vốn từng giữ cho vũ trụ sơ khai ở trạng thái mờ đục.

Các chuẩn tinh ở z≥7 là một trong những tác nhân chính thúc đẩy quá trình tái ion hóa, nhưng chúng cũng là nghịch lý của nó: chúng đòi hỏi các lỗ đen siêu khối đã phát triển đủ nhanh để đạt tới hàng tỷ khối lượng Mặt Trời tại một thời điểm trong lịch sử vũ trụ mà, theo các mô hình hình thành cấu trúc tiêu chuẩn, hầu như chưa có đủ thời gian để hình thành những ngôi sao đầu tiên. Lỗ đen trung tâm của Ngân Hà, Sagittarius A*, nặng khoảng bốn triệu khối lượng Mặt Trời và đã tích lũy khối lượng đó trong suốt 13,8 tỷ năm tuổi của vũ trụ. Các lỗ đen cung cấp năng lượng cho các chuẩn tinh z≥7 trong danh mục Euclid nặng gấp hàng trăm đến hàng nghìn lần, nhưng lại tích lũy khối lượng đó trong chưa đầy 5% cùng khoảng thời gian đó.

“Những quái vật này — nặng gấp hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời của chúng ta — bằng cách nào đó đã tồn tại khi vũ trụ còn sơ khai,” Joseph Hennawi, người hướng dẫn của Yang tại UC Santa Barbara và là đồng tác giả của bài báo, nói. Việc tìm thấy hơn một tá trong số chúng chỉ từ dữ liệu của một năm chứng tỏ chúng không phải là những bất thường thống kê: mẫu hiện đã đủ lớn để được coi là một quần thể.

Những gì danh mục này chưa giải quyết được

Các phát hiện được xác nhận bổ sung củng cố một lập luận định lượng nhưng chưa thể phân biệt giữa các cơ chế hình thành được đề xuất. Các ứng cử viên hàng đầu bao gồm quá trình bồi tụ siêu Eddington kéo dài, trong đó khí rơi vào lỗ đen mầm nhanh hơn giới hạn áp suất bức xạ chuẩn trong những khoảng thời gian đủ dài để xây dựng các khối lượng quan sát được; sự sụp đổ trực tiếp của các đám mây khí nguyên thủy khổng lồ thành các lỗ đen mầm nặng hơn nhiều so với bất kỳ tàn dư sao nào; và sự hợp nhất nhanh chóng của các cụm sao dày đặc thời kỳ đầu trước khi thế hệ lỗ đen siêu khối đầu tiên bắt đầu hoạt động. Mỗi cơ chế đều phải đối mặt với những ràng buộc quan sát độc lập, và dữ liệu Euclid chưa bao gồm các đặc điểm của thiên hà chủ cần thiết để kiểm tra chúng một cách trực tiếp.

Bài báo của Yang lưu ý rằng danh mục 31 vật thể đại diện cho một tập con sáng của một quần thể nền lớn hơn — những vật thể đủ sáng và ở đúng tổ hợp redshift và vị trí trên bầu trời để nổi bật rõ ràng khỏi dữ liệu Q1. Các mô hình về tính đầy đủ sẽ đòi hỏi toàn bộ khảo sát rộng của Euclid, vốn vẫn đang tiếp tục quan sát. Một lưu ý thực tế áp dụng cho tất cả 31 vật thể: việc xác định đặc điểm của thiên hà chủ, điều cần thiết để kiểm tra các mô hình hình thành, đòi hỏi những quan sát sâu hơn so với những gì bản thân cuộc khảo sát cung cấp. Silvia Belladitta của Viện Thiên văn Max Planck ở Heidelberg đã tiến hành quan sát quang phổ theo dõi cho vật thể xa thứ hai trong danh mục; các chiến dịch quan sát mặt đất đã được lên kế hoạch sẽ giải quyết toàn bộ mẫu.

Các câu hỏi thường gặp về chuẩn tinh cổ đại của Euclid

Chính xác thì chuẩn tinh là gì, và tại sao độ sáng của nó lại quan trọng?

Chuẩn tinh là lõi phát sáng cực mạnh của một thiên hà, được cung cấp năng lượng bởi một lỗ đen siêu khối đang tích cực bồi tụ khí xung quanh. Khi vật chất nóng lên trong đĩa bồi tụ, nó bức xạ trên toàn bộ phổ điện từ với độ sáng có thể vượt qua mọi ngôi sao trong thiên hà chủ cộng lại. Ở những khoảng cách được báo cáo ở đây, chỉ có lõi trung tâm là có thể phát hiện được; thiên hà chủ quá mờ và quá nhỏ gọn để có thể phân giải. Độ sáng cực đại là điều cho phép Euclid phát hiện các vật thể cách xa tới 13 tỷ năm ánh sáng.

Tại sao những vật thể này được mô tả là một vấn đề đối với vũ trụ học?

Các mô hình tiêu chuẩn về sự phát triển của lỗ đen đặt ra một giới hạn tự nhiên cho tốc độ bồi tụ, được gọi là giới hạn Eddington. Một lỗ đen mầm có khối lượng sao, loại lỗ đen lớn nhất mà một ngôi sao có thể để lại, nếu bồi tụ liên tục ở tốc độ này thì không thể đạt tới một tỷ khối lượng Mặt Trời trong khoảng thời gian giữa Vụ Nổ Lớn và kỷ nguyên mà các chuẩn tinh này tồn tại. Việc tìm thấy hơn một tá trong một năm khảo sát duy nhất có nghĩa là chúng đủ phổ biến đến mức không có một sự kiện đơn lẻ kỳ lạ nào có thể giải thích được; cơ chế hình thành phải hoạt động ở quy mô lớn.

Euclid so sánh như thế nào với các cuộc khảo sát trước đây cho loại vật thể này?

Khảo sát Rộng Euclid cuối cùng sẽ bao phủ khoảng 14.000 độ vuông với độ nhạy hồng ngoại gần mà các cuộc khảo sát mặt đất không thể đạt được trên các diện tích tương đương. Thế hệ khảo sát trước đây, bao gồm Sloan Digital Sky Survey và UKIRT Infrared Deep Sky Survey, đã xác định hầu hết danh mục chuẩn tinh z≥7 trước đây trong hơn một thập kỷ quan sát kết hợp. Thiết bị NISP của Euclid thực hiện đồng thời việc chọn lọc ban đầu và sàng lọc quang phổ, nén những gì trước đây cần các chiến dịch riêng biệt thành một lần quan sát duy nhất.

Điều gì sẽ xảy ra tiếp theo trong chương trình nghiên cứu này?

Quan sát quang phổ theo dõi từ mặt đất được lên kế hoạch cho toàn bộ mẫu 31 vật thể để tinh chỉnh các phép đo redshift và xác định đặc điểm của thiên hà chủ. Các đợt công bố dữ liệu Euclid bổ sung sẽ mở rộng danh mục khi khảo sát rộng tích lũy thêm diện tích bầu trời. Đợt công bố dữ liệu Q2 từ Euclid, bao phủ phần phình trung tâm của Ngân Hà với 60 triệu ngôi sao được chụp trong 26 giờ quan sát, đã được công bố vào cuối tháng Sáu; các đợt công bố tiếp theo sẽ bổ sung thêm diện tích bầu trời ngoài thiên hà liên quan đến việc tìm kiếm chuẩn tinh redshift cao. “Bằng cách tìm ra và nghiên cứu chúng,” Yang viết, “chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách những hệ thống khổng lồ này hình thành và phát triển nhanh đến vậy.”

Tham khảo: Yang et al., “Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

Thẻ: thiên văn học, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars