Trong hơn 20 năm, các nhà thiên văn đã gặp khó khăn khi giải thích một bí ẩn lớn của vũ trụ sơ khai. Quan sát cho thấy các supermassive black hole đã tồn tại chưa đầy một tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn, trong khi các mô hình tiến hóa sao thông thường không thể tạo ra những vật thể khổng lồ như vậy nhanh đến thế. Các ngôi sao bình thường đơn giản là không đủ lớn hoặc không tiến hóa đủ nhanh để hình thành các hố đen có kích thước đó trong khoảng thời gian vũ trụ ngắn như vậy.

Những quan sát mới từ JWST hiện đang cung cấp một lời giải khả dĩ. Nhóm nghiên cứu báo cáo bằng chứng thuyết phục đầu tiên cho thấy các ngôi sao nguyên thủy cực kỳ khối lượng lớn từng tồn tại trong vũ trụ trẻ. Những “ngôi sao quái vật” này được cho là có khối lượng từ 1.000 đến 10.000 lần Mặt Trời – lớn hơn nhiều so với bất kỳ ngôi sao nào từng được quan sát ngày nay.

Bằng chứng hóa học về các “gã khổng lồ” nguyên thủy

Phát hiện tập trung vào một thiên hà xa xôi mang tên GS 3073. Khi nghiên cứu thành phần hóa học của thiên hà này, các nhà khoa học đã phát hiện một dấu hiệu bất thường về loại sao từng tồn tại ở đó.

Nghiên cứu do University of Portsmouth phối hợp với Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian thực hiện, cho thấy sự mất cân bằng rất lớn giữa nitơ và oxy. Không có loại sao thông thường nào được biết đến có thể tạo ra mẫu hóa học như vậy.

Phát hiện này cũng củng cố một dự đoán lý thuyết từ năm 2022, cho rằng các sao siêu khối lượng có thể hình thành tự nhiên trong vũ trụ sơ khai từ các dòng khí lạnh dày đặc và hỗn loạn. Những ngôi sao cực đoan này có thể nhanh chóng sụp đổ thành các hố đen lớn, giải thích sự xuất hiện của các quasar (hố đen cực sáng) chưa đầy một tỷ năm sau Big Bang.

Tiến sĩ Daniel Whalen cho biết:

“Phát hiện mới nhất của chúng tôi giúp giải quyết một bí ẩn vũ trụ kéo dài 20 năm. Với GS 3073, chúng tôi có bằng chứng quan sát đầu tiên rằng những ngôi sao quái vật này từng tồn tại.

Những ‘gã khổng lồ’ vũ trụ này phát sáng rực rỡ trong thời gian ngắn trước khi sụp đổ thành các hố đen khổng lồ, để lại dấu vết hóa học mà chúng ta có thể phát hiện hàng tỷ năm sau. Giống như khủng long trên Trái Đất – chúng rất lớn, nguyên thủy và sống rất ngắn, chỉ khoảng 250.000 năm – một cái chớp mắt trong thang thời gian vũ trụ.”

Dấu hiệu nitơ tiết lộ nguồn gốc sao

Manh mối quyết định đến từ việc phân tích tỷ lệ nitơ/oxy trong GS 3073. Kết quả đo cho thấy tỷ lệ này lên tới 0,46 – cao vượt xa bất kỳ giá trị nào mà các loại sao hay vụ nổ sao đã biết có thể tạo ra.

Devesh Nandal giải thích:

“Thành phần hóa học giống như dấu vân tay vũ trụ, và mẫu trong GS 3073 không giống bất kỳ thứ gì mà các ngôi sao thông thường có thể tạo ra. Lượng nitơ cực cao này chỉ phù hợp với một nguồn duy nhất mà chúng ta biết – các ngôi sao nguyên thủy có khối lượng lớn gấp hàng nghìn lần Mặt Trời.”

Mô hình giải thích sự giàu nitơ

Các nhà nghiên cứu đã mô phỏng cách những ngôi sao có khối lượng 1.000–10.000 lần Mặt Trời phát triển và tạo ra các nguyên tố hóa học. Họ phát hiện một chuỗi quá trình có thể tạo ra lượng nitơ rất lớn:

Trong lõi sao, phản ứng nhiệt hạch helium tạo ra carbon.

Một phần carbon di chuyển ra vùng ngoài nơi xảy ra phản ứng hydro.

Tại đây, carbon phản ứng với hydro để tạo nitơ thông qua CNO cycle.

Dòng đối lưu mạnh lan truyền nitơ khắp bên trong ngôi sao.

Theo thời gian, vật chất giàu nitơ bị đẩy ra không gian, làm giàu môi trường xung quanh.

Quá trình này kéo dài hàng triệu năm trong giai đoạn đốt helium, dần tạo nên mức nitơ cao bất thường như quan sát được.

Sự sụp đổ của tàn dư sao siêu khối lượng

Các mô hình cũng mô tả số phận của những ngôi sao này khi cạn nhiên liệu. Thay vì nổ thành siêu tân tinh, chúng sụp đổ trực tiếp thành các hố đen khổng lồ, có thể chứa khối lượng gấp hàng nghìn lần Mặt Trời.

Quan sát GS 3073 cho thấy thiên hà này có một hố đen đang hoạt động ở trung tâm – có thể là tàn dư của một trong những ngôi sao siêu khối lượng đầu tiên. Nếu điều này được xác nhận, nó sẽ giải thích cả dấu hiệu nitơ bất thường lẫn nguồn gốc hố đen trung tâm.

Nghiên cứu cũng cho thấy mẫu hóa học này chỉ xuất hiện trong một khoảng khối lượng rất hẹp. Các sao nhỏ hơn 1.000 hoặc lớn hơn 10.000 lần khối lượng Mặt Trời không tạo ra dấu hiệu nitơ tương tự. Điều này cho thấy chỉ những ngôi sao trong “cửa sổ khối lượng” cụ thể này mới tạo ra điều kiện hóa học đặc biệt đó.

Một “cửa sổ” mới vào bình minh vũ trụ

Những kết quả này cung cấp cái nhìn mới về giai đoạn sớm nhất của lịch sử vũ trụ. Vài trăm triệu năm đầu sau Big Bang thường được gọi là “kỷ nguyên tối vũ trụ”, khi những ngôi sao đầu tiên bắt đầu hình thành và biến đổi các nguyên tố đơn giản thành hỗn hợp hóa học phức tạp như ngày nay.

Các nhà khoa học kỳ vọng JWST sẽ tiếp tục phát hiện thêm nhiều thiên hà có dấu hiệu dư thừa nitơ tương tự. Mỗi phát hiện mới sẽ củng cố bằng chứng rằng các ngôi sao siêu khối lượng thế hệ đầu tiên đã đóng vai trò quan trọng trong việc định hình các thiên hà sơ khai và tạo mầm cho những hố đen siêu lớn mà chúng ta quan sát ngày nay.