Kính viễn vọng Không gian James Webb đã ghi lại phép đo trực tiếp đầu tiên về khối lượng của một lỗ đen siêu lớn trong vũ trụ trẻ. Vật thể trung tâm của Abell2744-QSO1 nặng khoảng 50 triệu lần khối lượng Mặt trời. Nó nằm ở trung tâm của một thiên hà nhỏ màu đỏ được nhìn thấy ở thời điểm 700 triệu năm sau Vụ nổ lớn.
Các nhà nghiên cứu đã lập bản đồ chuyển động của khí xung quanh lỗ đen. Phân tích cho thấy nó chiếm ưu thế trong tổng khối lượng của hệ thống. Phát hiện này mở ra những cuộc thảo luận mới về việc làm thế nào những vật thể khổng lồ này lại xuất hiện sớm như vậy trong lịch sử vũ trụ.
Cách James Webb đo khối lượng của lỗ đen
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng thiết bị NIRSpec của kính thiên văn để quan sát khí từ quỹ đạo. Máy quang phổ cận hồng ngoại ghi lại vận tốc theo mô hình Keplerian chính xác. Chuyển động này cho thấy gần như toàn bộ khối lượng đều tập trung ở một điểm trung tâm.
- Khí quay nhanh hơn ở gần tâm
- Đường cong vận tốc xác nhận lực hấp dẫn của điểm
- Các phép đo trước đây dựa vào phương pháp gián tiếp
- Bây giờ khối lượng đã được tính trực tiếp từ động lực học khí
Lỗ đen chiếm ít nhất 2/3 tổng khối lượng của Abell2744-QSO1. Số lượng các ngôi sao trong thiên hà ít hơn nhiều. Sự mất cân bằng này thách thức mô hình cổ điển trong đó thiên hà và lỗ đen cùng nhau phát triển trong hàng tỷ năm.
Abell2744-QSO1 thuộc lớp chấm đỏ nhỏ
Những vật thể nhỏ gọn, màu đỏ này xuất hiện với số lượng lớn trong những quan sát ban đầu của James Webb. Chúng phổ biến trong một tỷ năm đầu tiên của vũ trụ và gần như không tồn tại ngày nay. Abell2744-QSO1 là thiết bị đầu tiên trong lớp được đo khối lượng trực tiếp.
Thiên hà xung quanh mờ nhạt. Lỗ đen trung tâm phát sáng với khí hydro và heli gần nguyên thủy. Độ kim loại thấp củng cố rằng môi trường gần với môi trường của vũ trụ ban đầu.
Ý nghĩa đối với sự hình thành của lỗ đen
Kết quả cho thấy một số lỗ đen siêu lớn có thể đã xuất hiện trước các thiên hà chứa chúng. Hai giả thuyết có được sức mạnh từ dữ liệu. Người ta chỉ ra sự sụp đổ trực tiếp của các đám mây khí khổng lồ. Một đề cập khác đề cập đến các lỗ đen nguyên thủy được hình thành ngay sau Vụ nổ lớn.
Roberto Maiolino, từ Đại học Cambridge, nhấn mạnh tác động. Phát hiện này thể hiện sự xem xét lại các kịch bản hình thành cổ điển. Các bài báo được xuất bản cùng ngày trên tạp chí Tự nhiên và Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
Lỗ đen của Abell2744-QSO1 nặng hơn tất cả các ngôi sao trong thiên hà cộng lại. Tỷ lệ này vượt xa những gì được nhìn thấy trong vũ trụ địa phương, nơi các lỗ đen chiếm một phần nhỏ khối lượng sao.
Chi tiết kỹ thuật quan sát bằng NIRSpec
Đơn vị trường tích phân của NIRSpec cho phép nó lập bản đồ vận tốc ở các khoảng cách khác nhau tính từ tâm. Các nhà nghiên cứu đã so sánh chuyển động thực tế với chuyển động dự kiến đối với các đợt phân bổ khối lượng khác nhau. Chỉ có một vật điểm giải thích được chuyển động quay Keplerian được quan sát.
Ignas Juodžbalis và Cosimo Marconcini phụ trách các phần công việc. Sự hợp tác có sự tham gia của các tổ chức như Đại học Florence, Viện Max Planck và Đại học Ben-Gurion.
Những thay đổi nào đối với các nghiên cứu trong tương lai về vũ trụ sơ khai
Các nhà thiên văn hiện có kế hoạch quan sát nhiều chấm đỏ nhỏ hơn bằng cách sử dụng kỹ thuật tương tự. Mục tiêu là để hiểu liệu Abell2744-QSO1 là một ngoại lệ hay đại diện cho một mô hình phổ biến trong vũ trụ trẻ. James Webb tiếp tục cung cấp dữ liệu đặt câu hỏi về các mô hình đã được thiết lập.
Khám phá này củng cố vai trò của kính thiên văn như một công cụ thiết yếu cho vũ trụ học. Mỗi phép đo trực tiếp mới đưa các nhà khoa học đến gần hơn với câu trả lời về những chương đầu tiên trong quá trình hình thành cấu trúc vũ trụ.