Kính viễn vọng Webb chụp được "vũ trụ không nên tồn tại": hố đen lớn vô lý, thiên hà sáng kỳ quặc, lý thuyết Big Bang sai?

Kính thiên văn không gian James Webb (JWST) liên tục chụp được những hình ảnh về vũ trụ sơ khai mà lý thuyết không thể giải thích: các lỗ đen phát triển quá nhanh, các thiên hà cổ xưa quá sáng, và hàng trăm thiên thể bí ẩn chưa từng thấy có tên "chấm đỏ nhỏ".
(Tiêu đề khái lược: Mắc kẹt trong không gian 9 tháng – Hai phi hành gia NASA cuối cùng cũng về nhà, nhưng chịu di chứng như già đi mười tuổi)
(Bối cảnh bổ sung: NASA lên kế hoạch dùng blockchain lưu trữ dữ liệu quan trọng của nhân loại trên Mặt Trăng: ngăn chặn Trái Đất bị hủy diệt)

Mục lục bài viết

Toggle

• Lỗ đen có khối lượng gấp tỷ lần Mặt Trời
• Thiên hà không chỉ phát triển quá nhanh, mà còn sáng một cách phi lý
• Chấm đỏ nhỏ: "Ngôi sao lỗ đen" bị bao bọc bởi khí?
• Bằng chứng tự mâu thuẫn, lý thuyết lại có quá nhiều lựa chọn

Kính thiên văn không gian James Webb (JWST) trong những năm gần đây liên tục chỉ trích vào những giả định cơ bản nhất của ngành vật lý thiên văn: Vũ trụ sơ khai mà nó nhìn thấy hoàn toàn không khớp với lý thuyết ban đầu. Các lỗ đen có khối lượng gấp tỷ lần Mặt Trời chỉ trong chưa đầy một tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn, các thiên hà cổ xưa sáng vượt xa dự đoán mô phỏng, và hàng trăm thiên thể bí ẩn chưa từng được quan sát trước khi JWST phóng lên vào năm 2022, gọi là "chấm đỏ nhỏ".

Theo bài báo của tạp chí Quanta Magazine phỏng vấn nhiều nhà vật lý thiên văn, sự bối rối này đang thúc đẩy một làn sóng lý thuyết mới nhằm giải thích "vũ trụ bất khả thi" mà kính viễn vọng không gian Webb tiết lộ. Ba bí ẩn tác động lẫn nhau, hiện chưa ai dám khẳng định cách giải thích nào là đáp án cuối cùng.

Lỗ đen có khối lượng gấp tỷ lần Mặt Trời

Nhà vật lý thiên văn Jenny Greene của Đại học Princeton cho biết với Quanta Magazine, sau Vụ Nổ Lớn, vũ trụ ban đầu trơn nhẵn không có đặc điểm, nhưng chỉ vài trăm triệu năm sau, "chúng tôi đã thấy các lỗ đen có khối lượng gấp tỷ lần Mặt Trời đang phát triển". Kích thước lỗ đen phụ thuộc vào hạt mầm lớn bao nhiêu và phát triển nhanh thế nào; nhưng các ngôi sao thế hệ đầu tiên sụp đổ chỉ để lại hạt mầm có khối lượng tối đa khoảng 100 lần Mặt Trời, để phát triển lên gấp tỷ lần trong giai đoạn sơ khai, "chúng phải được cho ăn một cách cưỡng ép".

Trước đây người ta cho rằng sự phát triển của lỗ đen có giới hạn cứng (giới hạn Eddington), nhưng các mô phỏng gần đây cho thấy nếu đĩa bồi tụ giãn nở theo cách đặc biệt, khí có thể áp đảo áp suất bức xạ, hình thành "bồi tụ siêu Eddington". Năm 2024, JWST quan sát thấy một lỗ đen tồn tại khoảng 1,5 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn, đang nuốt vật chất với tốc độ gấp khoảng 40 lần giới hạn Eddington.

Một nhóm lý thuyết khác cho rằng các lỗ đen lớn nhất ngay từ đầu không phải xuất thân từ sao, mà là từ các đám mây khí khổng lồ sụp đổ trực tiếp thành hạt mầm có khối lượng khoảng 10.000 lần Mặt Trời. Greene nói: "Trong máy tính có thể tạo ra lỗ đen sụp đổ trực tiếp, nhưng không tạo ra đủ số lượng để giải thích tất cả các lỗ đen."

Một nghiên cứu gần đây đã bổ sung bằng chứng mới cho sụp đổ trực tiếp: Một chấm đỏ nhỏ tồn tại khoảng 750 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, được phóng đại bởi thấu kính hấp dẫn, được xác định là lỗ đen siêu lớn "lộ thiên", ước tính có khối lượng lên tới 50 triệu lần Mặt Trời, xung quanh không tìm thấy ngôi sao nào có thể nhận dạng, gợi ý rằng nó có thể đã ra đời dưới dạng hạt mầm khổng lồ trước bất kỳ thiên hà nào.

Jenny Greene cho biết: "Rõ ràng có sự khác biệt trong cách các lỗ đen phát triển mà chúng ta chưa hiểu."

Thiên hà không chỉ phát triển quá nhanh, mà còn sáng một cách phi lý

Bí ẩn về lỗ đen chưa được giải, nhiều thiên hà sơ khai mà JWST phát hiện cũng "quá sáng" tương tự. Nhà khoa học Rachel Somerville của Viện Flatiron, tại một hội nghị ở Helsingør, Đan Mạch vào tháng 4 năm nay, đã trình bày mô phỏng mới nhất: "Trước dịch chuyển đỏ 15 (270 triệu năm) không có nhiều chuyện xảy ra, đến dịch chuyển đỏ 9 (550 triệu năm) chúng tôi đã tạo ra một thiên hà đẹp." Nhưng thiên hà cổ xưa nhất mà JWST tìm thấy tồn tại chỉ khoảng 280 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, sớm hơn nhiều so với lịch trình mô phỏng.

Các nhà lý thuyết đưa ra nhiều cách giải thích: thiên hà sơ khai có thể chuyển đổi khí thành sao với hiệu suất cao hơn, sự hình thành sao diễn ra theo từng đợt bùng nổ ngắt quãng, môi trường sơ khai có thể ưu tiên các ngôi sao có độ sáng cực cao. Somerville cười khổ: "Chúng tôi gần như từ chỗ có quá nhiều thiên hà sơ khai không giải thích được, thành có quá nhiều lý thuyết để giải thích chúng."

Thiết bị MIRI phát hiện thêm rằng tính chất của các thiên hà sơ khai khác biệt rất lớn. Hakim Atek của Đại học Sorbonne nói với Quanta Magazine: "Một số thiên hà như đã dọn sạch mọi khí và bụi, chỉ thấy sao trần; thiên hà khác thì chất đầy khí."

Điều này gợi ý rằng sự hình thành sao có thể là một chuỗi các vụ nổ liên tiếp, ngoài ra còn có một nhóm thiên hà có hàm lượng nitơ bất thường cao, gợi ý rằng trong vũ trụ sơ khai tồn tại rất nhiều ngôi sao đặc biệt lớn.

Chấm đỏ nhỏ: "Ngôi sao lỗ đen" bị bao bọc bởi khí?

Trong số đó, chấm đỏ nhỏ có thể là bí ẩn kỳ lạ nhất.

Nhà vật lý thiên văn Charlotte Mason của Trung tâm Bình minh Vũ trụ (Cosmic Dawn Center) Copenhagen có thói quen dùng hình vẽ nguệch ngoạc để hiểu các bí ẩn vũ trụ. Sổ ghi chép gần đây của bà đầy những chấm đỏ nhỏ; loại thiên thể này bắt đầu xuất hiện hàng loạt khoảng 650 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, chưa từng được quan sát trước đây.

Ý tưởng mới nhất cho rằng chấm đỏ nhỏ có thể là các lỗ đen được bao bọc bởi lớp khí dày, đại diện cho một loại thiên thể hoàn toàn mới "ngôi sao lỗ đen", lớp vỏ khí dày đặc phát sáng giống như khí quyển sao. Mason phân tích quang phổ của một chấm đỏ nhỏ; về lý thuyết, đám mây khí dày đặc sẽ làm một số ánh sáng thay đổi cụ thể, nhưng bà không thấy.

Bà thú nhận với Quanta Magazine: "Giờ thì làm sao? Làm lại. Nếu tôi biến khí thành từng khối, vẽ ra các lỗ xung quanh lỗ đen, có lẽ sẽ thu được tín hiệu gần hơn."

Bằng chứng tự mâu thuẫn, lý thuyết lại có quá nhiều lựa chọn

Ba bí ẩn chạm vào nhau, bằng chứng thực tế lại mâu thuẫn. Lỗ đen năm 2024 ăn vật chất gấp 40 lần giới hạn Eddington ủng hộ "hạt mầm nhỏ + bồi tụ siêu Eddington"; nhưng lỗ đen "lộ thiên" có khối lượng 50 triệu lần Mặt Trời lại ủng hộ "hạt mầm lớn + sụp đổ trực tiếp".

Về phía thiên hà, sự đa dạng của MIRI cũng cho thấy không có kịch bản đơn lẻ nào áp dụng được cho mọi thiên hà sơ khai. Có lẽ nhận xét của Greene là chính xác nhất: sự khác biệt rõ ràng tồn tại, chứ không phải một câu trả lời chuẩn duy nhất.

Tin tốt là các công cụ đang tiến bộ. Somerville nói rằng mô phỏng số "đang có những tiến bộ rất đáng kể", có thể cung cấp thêm thông tin cho việc giải mã vũ trụ dịch chuyển đỏ cao; Atek đề cập rằng sau khi ghép các thiên hà quan sát được với các mô phỏng tương tự tốt nhất, có thể suy ngược lại toàn bộ lịch sử hình thành sao.

Nhìn xa hơn nữa, bức xạ từ các thiên hà và lỗ đen đã ion hóa đại dương hydro trung tính, đánh dấu sự kết thúc của kỷ nguyên tối vũ trụ; các ngôi sao thế hệ đầu tiên nhanh chóng đốt cháy hết nhiên liệu, bùng nổ thành siêu tân tinh, gieo rắc các nguyên tố mới như carbon, nitơ, oxy, phốt pho, sắt – nguyên liệu cho các hành tinh và sự sống. Nhà vật lý thiên văn Lise Christensen của Trung tâm Bình minh Vũ trụ nói thẳng: "Chúng ta đang nhìn lại thứ đã tạo ra chúng ta." Đây có thể là lần đầu tiên loài người có cơ hội tận mắt thấy mình đến từ đâu.