Chấm đỏ nhỏ trong ảnh kính Webb: lỗ đen hay một loại sao mới?

Trong một tấm ảnh chụp bầu trời, có một chấm sáng chỉ to bằng một điểm ảnh. Nhỏ tới mức nếu bạn phóng ảnh lên, nó chỉ là một ô vuông màu. Bạn có tin rằng cái chấm bé xíu ấy có thể là một thứ chưa ai từng thấy trong vũ trụ không?

Kính viễn vọng không gian James Webb được dựng lên để bắt thứ ánh sáng rất mờ đến từ một tỉ năm đầu tiên sau Big Bang, cái thời mà những khối khí hydro và heli khổng lồ đang tụ lại thành các chuỗi thiên hà ta thấy hôm nay. Ngay trong loạt ảnh đầu tiên, các nhà thiên văn đã thấy đủ loại vệt sáng khó hiểu. Nhưng có một nhóm vật thể khó chịu hơn cả: chúng phát ánh sáng đỏ bước sóng dài, sáng chói ngang cả một thiên hà, mà bề ngang chỉ trải trên đúng một điểm ảnh. Và chúng ở khắp nơi. Gần như mọi bức ảnh Webb chụp đều có đôi ba cái. Năm 2023, giới nghiên cứu bắt đầu gọi chúng là chấm đỏ nhỏ (little red dots).

Câu hỏi là gì

Nói bằng lời thường: cái chấm đó là cái gì?

Nghe có vẻ dễ, nhưng hãy thử hình dung tình huống của người quan sát. Khi thứ bạn nhìn thấy chỉ là một chấm, bạn chỉ biết được đúng hai điều về nó: nó màu gì, và nó sáng bao nhiêu. Không hình dạng, không cấu trúc, không chi tiết. Giống như ai đó đưa bạn xem một chấm sáng trong đêm rồi hỏi đó là đèn pin, đèn xe máy hay đèn của một sân bóng cách mười cây số.

Lúc đầu, các nhà nghiên cứu nghĩ những chấm này trông giống thiên hà. Sau đó họ nghiêng về chuyện chúng giống các lỗ đen siêu khối (supermassive black hole), thứ nằm ở trung tâm phần lớn thiên hà. Rồi mùa xuân 2025, hai chấm đỏ xuất hiện khiến cả hai câu trả lời đều không vừa.

Vì sao câu hỏi này khó

Đầu mối đầu tiên là độ sáng, và nó dẫn vào ngõ cụt ngay. Nếu chấm đỏ nhỏ là thiên hà ở rất xa mà sáng đến vậy, thì thiên hà ấy phải cực kỳ lớn. Vấn đề là không ai biết cách nào để một thiên hà lớn nhanh đến thế chỉ trong vài trăm triệu năm. Chúng bị gọi luôn là "kẻ phá vỡ vũ trụ" (universe breakers), vì chúng phá vỡ dòng thời gian vũ trụ mà mọi người vẫn tin.

Đầu mối thứ hai đòi một công cụ tinh hơn: quang phổ (spectrum). Bạn tách ánh sáng của vật thể ra thành từng sắc độ rất nhỏ, rồi đo xem mỗi sắc sáng bao nhiêu. Việc này giống hệt lúc ánh nắng đi qua một hạt mưa và tách thành cầu vồng, chỉ khác là máy đo đếm được từng vạch. Nó hữu ích vì mỗi loại nguyên tử phát ra sắc riêng của nó, nên nhìn quang phổ là biết được các hạt trong đó đang làm gì.

Và quang phổ của chấm đỏ nhỏ cho ra một điều gây chấn động: màu của hydro bị nhoè, trải ra trên nhiều sắc độ thay vì gọn trong một sắc. Thường thì hiện tượng đó nghĩa là bạn đang nhìn thẳng vào một lỗ đen. Lỗ đen quăng các đám mây hydro quanh nó chạy điên cuồng, mỗi đám bay một tốc độ nên phát ra màu hơi lệch nhau một chút, cộng lại thành một dải gọi là vạch rộng (broad line). Dải càng rộng thì đám mây nhanh nhất càng nhanh, và lỗ đen càng nặng.

Chỉ có điều vẫn vướng. Phần lớn lỗ đen siêu khối nhấp nháy khi nuốt khí, và bắn ra tia X rất mạnh. Phần lớn chấm đỏ nhỏ không làm cả hai việc đó.

Rồi tới hai chấm đặc biệt của mùa xuân 2025. Chúng đỏ tới mức Webb gần như không thu được chút ánh sáng nào ở các sắc xanh hơn. Đã thế, tới một sắc đỏ nhất định, độ sáng bỗng vọt lên hẳn. Đặc trưng đó gọi là bước nhảy Balmer (Balmer break), và nó là dấu hiệu của một quả khí hydro nóng, tức là dấu hiệu của sao. Trong lõi một ngôi sao, phản ứng nhiệt hạch đẩy nhiệt và ánh sáng lên dần tới bề mặt, ở đó các nguyên tử hydro chặn ánh sáng xanh lại và chỉ cho ánh sáng đỏ đi qua.

Đây chính là chỗ khó nhất: một đầu mối nói "lỗ đen", đầu mối kia nói "sao", trên cùng một chấm. Mà hai nhóm nghiên cứu cũng kết luận rằng hai chấm ấy không thể là ngôi sao theo nghĩa thường.

Ai đang thử, và đã tới đâu

Hai khảo sát lớn đã chĩa Webb vào những vật thể này hàng giờ liền mỗi lần. Anna de Graaff, nhà nghiên cứu tại Viện Thiên văn học Max Planck ở Heidelberg, Đức, dẫn đầu khảo sát Rubies. Rohan Naidu, nhà thiên văn tại Đại học Hawai'i, đồng dẫn đầu khảo sát MOM.

Mùa xuân 2025, hai nhóm cùng lúc công bố cặp chấm đỏ khác hẳn mọi cái đã biết. De Graaff nói rằng trong hàng triệu quan sát họ từng thực hiện bằng kính mặt đất, không có gì trông giống những nguồn này.

Cách giải thích họ đưa ra là một loại thiên thể mới: một khối hydro đảo lộn, sáng bằng ánh sáng của hàng tỉ mặt trời, giấu một lỗ đen sâu trong lõi. Họ gọi nó là sao lỗ đen (black hole star). Một bài báo mới đây đi xa hơn, cho rằng Webb đang chứng kiến chính lúc các lỗ đen siêu khối ra đời bên trong lõi những ngôi sao khổng lồ. Naidu nói có một hiện tượng mới về căn bản đang diễn ra.

Cần nói rõ: đây là một cách diễn giải, không phải một kết luận đã chốt. Nó lập tức làm bùng lên hàng loạt nghiên cứu phản biện. Anna-Christina Eilers, nhà vật lý thiên văn tại Viện Công nghệ Massachusetts, người cũng nghiên cứu chấm đỏ nhỏ, nhận xét rằng lĩnh vực này đã phân cực rất mạnh. Nghĩa là các nhà khoa học đang cãi nhau, và chưa bên nào thắng.

Nếu trả lời được thì đổi việc gì

Nếu sao lỗ đen là có thật, danh sách những thứ tồn tại trong vũ trụ có thêm một mục mới, và câu chuyện về việc các lỗ đen khổng lồ ở tim những thiên hà đã lớn lên thế nào phải viết lại từ chương đầu. Nếu chúng chỉ là lỗ đen thường, thì phải giải thích được vì sao chúng không nhấp nháy và không bắn tia X. Dù ngả nào đúng, món nợ "kẻ phá vỡ vũ trụ" cũng được trả: ta sẽ biết vì sao vũ trụ non trẻ lại chứa những thứ sáng đến mức tưởng như không kịp hình thành.

Câu hỏi đang đứng ở đâu hôm nay

Chưa ai biết chấm đỏ nhỏ là gì. Hai đầu mối trong cùng một quang phổ đang chỉ về hai hướng khác nhau, và cái tên "sao lỗ đen" hiện là tên của một giả thuyết chứ chưa phải tên của một vật đã được xác nhận.

Nên câu đáng để bạn nghĩ tiếp là: khi trong tay chỉ có màu sắc và độ sáng của đúng một điểm ảnh, bao nhiêu bằng chứng thì đủ để gọi một thứ là "vật thể mới"?

Thử ở nhà cho dễ hình dung: lấy một chiếc đĩa CD cũ, nghiêng qua nghiêng lại dưới bóng đèn. Ánh sáng trắng sẽ tách ra thành một dải màu. Đó đúng là việc Webb làm với các chấm đỏ nhỏ, chỉ khác là nó đọc dải màu ấy từ khoảng cách hàng tỉ năm ánh sáng.

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.