Webb phát hiện hai hố đen khổng lồ nằm cạnh nhau 900 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn

Kính viễn vọng Không gian James Webb đã phát hiện hai hố đen siêu khối lượng đang nuốt vật chất cạnh nhau khi vũ trụ chưa đầy một tỷ năm tuổi. Chúng tạo thành cặp quasar gần nhau lâu đời nhất từng được nhận diện, với khoảng cách ngắn hơn khoảng cách từ Mặt Trời đến tâm Ngân Hà.

Cặp đôi này đáng chú ý vì không ai ngờ có thể bắt gặp một hệ như vậy sớm đến thế. Mỗi hố đen có khối lượng lớn hơn Mặt Trời từ hàng trăm triệu đến hàng tỷ lần, và xác suất tìm thấy hai hố đen nằm gần nhau như vậy vào thời kỳ đó cao hơn rất nhiều so với dự đoán của các mô hình hiện nay về vũ trụ sơ khai.

Hệ này có tên chính thức là J1602+4228AB. Tên tiếng Hawaii của nó, Nāpōwawāʻenakaulua, do Larry Kimura thuộc trường ngôn ngữ Hawaii của University of Hawaiʻi đặt thông qua chương trình đặt tên A Hua He Inoa. Tên gọi này có nghĩa là “Hai thiên thể của bóng tối mạnh mẽ, khôn dò trong ánh huy hoàng của nhiệt, tái sinh năng lượng vào Vũ trụ”. Nghiên cứu do Silvia Onorato của NSF NOIRLab dẫn dắt được công bố trên The Astrophysical Journal Letters.

Ánh sáng chúng ta quan sát được đã rời khỏi cặp này khoảng 900 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn. Hố đen lớn hơn nặng xấp xỉ 1,5 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, còn hố đen nhỏ hơn vào khoảng 400 triệu lần. Chúng cách nhau khoảng 18.100 năm ánh sáng, tương đương khoảng một phần năm đường kính Ngân Hà.

Quasar là một hố đen siêu khối lượng đang nuốt lượng khí lớn đến mức vật chất bao quanh nó sáng hơn mọi ngôi sao trong thiên hà chủ. Cả hai thành viên của cặp này đều đang bồi tụ ở ngưỡng Eddington hoặc nhỉnh hơn đôi chút, tức tốc độ tại đó bức xạ đẩy ra ngoài từ khí nóng cân bằng với lực hấp dẫn kéo khí vào trong. Vì vậy, cả hai hố đen đang lớn lên gần như ở tốc độ nhanh nhất mà vật lý thông thường cho phép.

“Chưa có lời giải thích lý thuyết dứt khoát nào cho việc làm thế nào chỉ một trong các quasar khổng lồ này lại có thể tồn tại quá sớm trong lịch sử Vũ trụ của chúng ta, huống chi là hai,” Onorato nói trong thông báo của NOIRLab.

Webb và Gemini đã tìm thấy quasar thứ hai như thế nào

Cặp đôi xuất hiện trong khảo sát Aether, một chương trình của Webb do Emanuele Paolo Farina thuộc NSF NOIRLab và International Gemini Observatory dẫn dắt. Khảo sát này hướng Near-Infrared Spectrograph của Webb vào 200 quasar thuộc một tỷ năm đầu tiên, chiếm khoảng 43% tổng số quasar đã biết từ giai đoạn đó. Thay vì một phổ duy nhất, thiết bị ghi lại một phổ riêng cho từng mảng nhỏ trên bầu trời quanh mỗi mục tiêu.

Trong quá trình kiểm tra trực quan từng khối dữ liệu, nhóm nhận thấy quasar đã biết J1602+4228 có một thiên thể đồng hành mờ nhạt ở gần như chính xác cùng khoảng cách. Trong số 199 trường khảo sát được tìm kiếm, đây là quasar đồng hành duy nhất có các vạch phát xạ rộng, dấu hiệu của khí chuyển động nhanh gần một hố đen. Webb đã quan sát trường này trong khoảng 45 phút.

Thiên thể đồng hành mờ hơn quasar chính khoảng 19 lần, và hai vật thể trên bầu trời chỉ cách nhau chưa đến một giây cung, tương đương bề rộng của một đồng xu nhìn từ khoảng cách bốn kilômét. Để xác nhận đây là một vật thể riêng biệt, nhóm đã sử dụng Gemini Near-Infrared Spectrograph trên kính Gemini North tại Maunakea, Hawaiʻi, đồng thời đặt khe quan sát sao cho phủ cả hai quasar. Quasar mờ nhận được hơn ba giờ phơi sáng. “Bầu trời trên Maunakea trong trẻo và sắc nét đến mức chúng tôi thu thập được dữ liệu chỉ trong hai đêm,” Onorato nói. Một thiết bị thứ ba, Gemini Multi-Object Spectrograph, bổ sung dữ liệu ánh sáng quang học từ thiên thể đồng hành mờ.

Độ dịch chuyển đỏ của hai quasar, thước đo mức độ ánh sáng của chúng bị sự giãn nở của vũ trụ kéo giãn, chỉ chênh nhau khoảng 15 kilômét mỗi giây, cho thấy về cơ bản chúng ở cùng khoảng cách với Trái Đất.

Mức độ “gần” của những hố đen già như vậy là bao nhiêu

Đây mới là cặp quasar thứ ba được phát hiện ở bình minh vũ trụ, thời đại của các thiên hà đầu tiên, và là cặp sít sao nhất. Cặp sơ khai gần nhau nhất trước đó, J2037-4537, cách nhau khoảng 24.000 năm ánh sáng và được quan sát ở thời điểm muộn hơn khoảng 100 triệu năm trong lịch sử vũ trụ. Một ứng viên khác ở kỷ nguyên tương tự, J1215-0148, có độ rộng khoảng 39.000 năm ánh sáng, và các nhà thiên văn vẫn tranh luận liệu đó có phải là một cặp thực sự hay không.

Để so sánh, Mặt Trời cách Sagittarius A*, hố đen ở tâm thiên hà của chúng ta, khoảng 26.000 năm ánh sáng. Sagittarius A* có khối lượng khoảng bốn triệu lần Mặt Trời. Hố đen lớn hơn trong cặp này nặng hơn khoảng 380 lần, và đạt khối lượng đó khi vũ trụ mới bằng khoảng 6,5% tuổi hiện nay.

Nhóm cũng đặt câu hỏi một cặp như vậy đáng lẽ phải xuất hiện thường xuyên đến mức nào. Các phép đo về cách quasar tụ cụm ở những quy mô lớn, khi được ngoại suy xuống quy mô của cặp này, dự đoán số láng giềng như thế ít hơn rất nhiều so với một trường hợp trong 199 trường quan sát. Cặp được quan sát nằm cao hơn các phép ngoại suy đó từ 100 đến 1.000 lần, ngay cả khi nhóm sử dụng ngưỡng độ sáng thấp hơn.

Những điều cặp đôi này vẫn chưa thể giải quyết

Câu hỏi còn bỏ ngỏ đầu tiên là liệu đây có thực sự là hai quasar hay không. Một thiên hà nằm giữa chúng ta và một quasar xa xôi đơn lẻ có thể bẻ cong ánh sáng của nó và tạo ra hai ảnh của cùng một vật thể, hiệu ứng được gọi là thấu kính hấp dẫn. Các phổ lập luận chống lại khả năng đó. Hai quasar khác nhau về độ dốc ánh sáng và mức độ bị bụi làm mờ, trong khi dòng khí thoát ra chuyển động nhanh quan sát thấy ở các vạch phát xạ oxy của chúng có hình dạng khác nhau, mà thấu kính hấp dẫn không thể làm thay đổi các hình dạng ấy. Vì vậy, nhóm tạm thời nghiêng về khả năng đây là một cặp thực. Tuy nhiên, ảnh Hubble lưu trữ cho thấy một thiên hà tiền cảnh khả dĩ gần quasar mờ hơn. Các tác giả viết rằng chỉ riêng phổ không thể loại trừ thấu kính hấp dẫn, và một mô hình thấu kính hoàn chỉnh vẫn đang được chuẩn bị.

Giới hạn thứ hai nằm ở chính các khối lượng. Khối lượng hố đen suy ra từ một phổ đơn lẻ mang độ bất định hệ thống xấp xỉ hệ số hai, vì thế các con số 1,5 tỷ và 400 triệu là ước tính chứ không phải phép đo chính xác.

Giới hạn thứ ba liên quan đến phần dư thừa. Các dự đoán về sự tụ cụm được đo ở những quy mô lớn hơn nhiều và phải được ngoại suy xuống rất xa dưới phạm vi đã kiểm chứng, nơi các tác giả cho biết lý thuyết cực kỳ bất định. Một cặp không thể cho thấy liệu những hệ như vậy phổ biến hay đây chỉ là một sự trùng hợp hiếm hoi.

Xét riêng lẻ, các hố đen không phá vỡ quy luật nào: khối lượng và tốc độ bồi tụ của chúng phù hợp với các quasar đơn độc cùng thời đại. Điều chưa được giải thích là làm sao bất kỳ hố đen nào có thể lớn tới một tỷ lần Mặt Trời nhanh như vậy, và vì sao hai hố đen lại làm được điều đó ở gần nhau đến thế.

Vì sao một vụ sáp nhập có thể giải thích cặp đôi này

Nhóm đề xuất rằng Nāpōwawāʻenakaulua đánh dấu một đỉnh cực đại về mật độ vật chất trong vũ trụ sơ khai, nơi các thiên hà va chạm đã dồn lượng lớn khí về phía tâm của chúng. Lượng khí đó sẽ đồng thời tiếp nhiên liệu cho quá trình hình thành sao và cả hai hố đen, qua đó giải thích vì sao hai quasar cùng bật sáng.

Nếu hai thiên hà chủ đang sáp nhập, các hố đen cuối cùng sẽ chìm dần về tâm của thiên hà hợp nhất, tạo thành một cặp liên kết và, trong tương lai rất xa, sáp nhập với nhau. Những cặp như vậy là giai đoạn đầu của quá trình được cho là tạo ra nền sóng hấp dẫn yếu mà hợp tác NANOGrav đã báo cáo.

Những câu hỏi độc giả thường đặt ra về cặp quasar

Cặp quasar là gì?

Một cặp quasar là hai hố đen siêu khối lượng đang bồi tụ mạnh nằm gần nhau trong không gian, thường do các thiên hà chủ của chúng đang tương tác hoặc sáp nhập. Rất ít cặp như vậy được tìm thấy trong một tỷ năm đầu sau Vụ Nổ Lớn.

Nāpōwawāʻenakaulua cách xa bao nhiêu?

Ánh sáng của nó rời khỏi cặp này khoảng 900 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, tương ứng với độ dịch chuyển đỏ khoảng 6,08. Ánh sáng đã di chuyển gần 13 tỷ năm để đến được Webb.

Các nhà thiên văn cân một hố đen ở xa đến vậy bằng cách nào?

Họ đo độ rộng các vạch phát xạ hydro từ khí quay quanh hố đen. Quỹ đạo càng nhanh thì vạch càng rộng, và khi kết hợp với độ sáng của quasar, độ rộng này cho phép ước tính khối lượng. Những ước tính dựa trên một phổ đơn lẻ này có độ bất định khoảng hệ số hai.

Quasar thứ hai có thể chỉ là ảo ảnh do thấu kính hấp dẫn gây ra không?

Khả năng đó có thể xảy ra nhưng được xem là ít có xác suất hơn. Hai phổ khác nhau theo những cách mà thấu kính hấp dẫn không nên tạo ra, đặc biệt là ở hình dạng các dòng khí thoát ra, song một thiên hà tiền cảnh ứng viên đã được phát hiện trong ảnh Hubble. Một mô hình thấu kính chi tiết sẽ kiểm chứng giả thuyết này.

Điều gì sẽ diễn ra tiếp theo

Webb đã ghi nhận dữ liệu phát hiện vào ngày 2 tháng 4 năm 2025, các quan sát tiếp nối bằng Gemini kéo dài sang năm nay, và bài báo được công bố ngày 10 tháng 11 năm 2026. Nhóm của Onorato hiện đang chuẩn bị một nghiên cứu động lực học về khí chuyển động giữa hai quasar cùng một mô hình thấu kính dựa trên ảnh Hubble lưu trữ. Một bài báo riêng do Roberto Decarli của National Institute for Astrophysics của Italy dẫn dắt sẽ báo cáo các thiên hà đồng hành được tìm thấy trên toàn bộ khảo sát Aether, bước đầu tiên hướng tới mẫu thống kê có thể cho biết các cặp như thế này phổ biến hay hiếm gặp.

Tài liệu tham khảo: Onorato et al., “Nāpōwawā‘enakaulua: A Close Quasar Pair at Cosmic Dawn in the Aether Survey,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb11f

Thẻ: thiên văn học, James Webb Space Telescope, JWST, hố đen, Gemini North, chuẩn tinh