Language
Country/Area
No result found
Một kỳ quan thiên văn ẩn giấu: Sự sụp đổ trực tiếp của lỗ đen làm sáng tỏ bí ẩn về sự hình thành lỗ đen siêu lớn như thế nào?
Lỗ đen sụp đổ trực tiếp (DCBH) là một loại nguyên mẫu lỗ đen khối lượng lớn hình thành từ sự sụp đổ trực tiếp của một lượng lớn vật chất. Người ta suy đoán rằng những lỗ đen này hình thành trong phạm vi dịch chuyển đỏ z=15–30, khi vũ trụ có tuổi đời khoảng 100 đến 250 triệu năm. Không giống như các hạt giống lỗ đen được hình thành bởi các ngôi sao thế hệ đầu tiên (còn gọi là sao loại III), các hạt giống lỗ đen sụp đổ trực tiếp được hình thành thông qua sự bất ổn tương đối tính tổng quát trực tiếp. Khi các lỗ đen này hình thành, chúng thường có khối lượng khoảng 10^5 M☉.
Loại nguyên mẫu lỗ đen này ban đầu được đề xuất để giải quyết thách thức trong việc quan sát các lỗ đen siêu lớn ở độ dịch chuyển đỏ z~7, điều này đã được xác nhận qua nhiều quan sát.
Cơ chế hình thành
Các lỗ đen sụp đổ trực tiếp (DCBH) được cho là nguyên mẫu của các lỗ đen khổng lồ được hình thành trong vũ trụ có độ dịch chuyển đỏ cao, với khối lượng khoảng 10^5 M☉ khi chúng hình thành, nhưng có thể dao động từ 10^4 M☉ đến 10^6 M☉. Các điều kiện môi trường để hình thành DCBH như sau:
- Không có khí kim loại (chỉ có hydro và heli).
- Các nguyên tử làm mát khí.
- Thông lượng photon Lyman-Wierth đủ lớn để phá vỡ các phân tử hydro, làm cho quá trình làm mát khí kém hiệu quả hơn.
Thỏa mãn các điều kiện trên có thể ngăn chặn quá trình làm mát khí và do đó ngăn chặn sự phân mảnh của đám mây khí ban đầu. Các đám mây khí không thể phân mảnh và hình thành sao sẽ trải qua sự sụp đổ do lực hấp dẫn toàn cầu và đạt mật độ vật chất cực cao trong lõi của chúng, khoảng 10^7 g/cm3. Ở mật độ như vậy, vật thể sẽ trải qua sự bất ổn tương đối tính tổng quát, cuối cùng hình thành một lỗ đen có khối lượng khoảng 10^5 M☉, hoặc thậm chí lên tới 1 triệu M☉. Sự xuất hiện của sự bất ổn này, cùng với việc không có giai đoạn sao trung gian, khiến cho loại hố đen này được gọi là hố đen sụp đổ trực tiếp.
Thống kê số lượng
Các lỗ đen sụp đổ trực tiếp được cho là cực kỳ hiếm trong vũ trụ có độ dịch chuyển đỏ cao vì rất khó để đáp ứng cả ba điều kiện cơ bản để hình thành chúng cùng một lúc. Các mô phỏng vũ trụ học hiện tại cho thấy mật độ số lượng DCBH ở độ dịch chuyển đỏ 15 có thể chỉ khoảng 1 trên một gigapascal khối. Trong trường hợp lạc quan nhất, dựa trên thông lượng photon Lyman-Wierth tối thiểu cần thiết để hình thành, mật độ số có thể đạt khoảng 10^7 DCBH trên mỗi gigapascal khối.
Tiến trình phát hiện
Năm 2016, một nhóm do nhà vật lý thiên văn Fabio Pacucci của Đại học Harvard đứng đầu đã sử dụng dữ liệu từ Kính viễn vọng không gian Hubble và Đài quan sát tia X Chandra để xác định hai ứng cử viên đầu tiên cho hố đen sụp đổ trực tiếp. Cả hai ứng cử viên đều có độ dịch chuyển đỏ lớn hơn 6 và có các tính chất quang phổ phù hợp với các tính chất được dự đoán cho các nguồn như vậy. Đặc biệt, các nguồn này được dự đoán có khả năng phát xạ hồng ngoại dư thừa đáng kể ở độ dịch chuyển đỏ cao hơn.
Trong tương lai, những quan sát sâu hơn, đặc biệt là sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb, sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu tính chất của các nguồn này và xác nhận bản chất của chúng.
Sự khác biệt so với các loại lỗ đen khác
Lỗ đen nguyên thủy là lỗ đen được hình thành do sự sụp đổ trực tiếp của vật chất năng lượng cao hoặc ion hóa trong thời kỳ giãn nở hoặc thời kỳ bức xạ chi phối, trong khi lỗ đen sụp đổ trực tiếp là kết quả của sự sụp đổ của các vùng khí có mật độ và kích thước lớn bất thường. Điều đáng chú ý là các lỗ đen hình thành do sự sụp đổ của các ngôi sao loại III không được coi là sự sụp đổ "trực tiếp".
Trong quá trình khám phá những bí ẩn của vũ trụ, tầm quan trọng của sự sụp đổ trực tiếp của các lỗ đen đã dần được nhận ra và các nghiên cứu trong tương lai có thể tiết lộ thêm nhiều manh mối về bí ẩn hình thành các lỗ đen siêu lớn. Trong vũ trụ bí ẩn này, có bao nhiêu hố đen chưa được biết đến đang chờ con người khám phá?
