Nghiên cứu cho thấy các chấm đỏ nhỏ có thể phát triển thành những thiên hà thông thường

Một quần thể đang suy giảm có thể đang thay đổi diện mạo

Nghiên cứu 98 vật thể nhỏ gọn được Kính viễn vọng Không gian James Webb phát hiện cho thấy những chấm đỏ nhỏ bí ẩn trong vũ trụ sơ khai trở nên khan hiếm vì các thiên hà chủ của chúng phát triển theo hướng mang những đặc tính của các thiên hà thông thường. Bằng chứng rõ nhất đến từ môi trường xung quanh: thuở ban đầu, các vật thể này nằm trong những vùng tương đối thưa thớt, rồi xuất hiện trong môi trường giống các thiên hà khác hơn khi vũ trụ già đi.

Nghiên cứu cũng phát hiện khối lượng quầng vật chất tối của chúng tăng mạnh. Đây là những cấu trúc vô hình góp phần giữ các thiên hà gắn kết với nhau. Bài báo đưa ra khối lượng quầng đặc trưng tối đa khoảng 12,6 tỷ khối lượng Mặt Trời tại độ dịch chuyển đỏ 7,5, tăng lên khoảng 200 tỷ khối lượng Mặt Trời tại độ dịch chuyển đỏ 3,5. Những con số này cho thấy các quầng tương đối nhỏ dần chuyển sang mức khối lượng gắn với những thiên hà điển hình hơn.

Nghiên cứu do Phó giáo sư Huanian Zhang và Giáo sư Qingwen Wu thuộc Trường Vật lý, Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung chủ trì, cùng các cộng sự tại Đại học Bắc Kinh, Viện Vật lý Năng lượng cao thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và các cơ sở khác. Nghiên cứu sinh tiến sĩ Chenxuan Zhang được xác định là tác giả thứ nhất. Theo thông tin công bố, công trình được đăng trực tuyến trên tạp chí Nature Astronomy ngày 8 tháng 10 năm 2026, giờ Bắc Kinh.

Nghiên cứu về các chấm đỏ nhỏ của nhóm tác giả ủng hộ cách lý giải dựa trên quá trình tiến hóa, thay vì cho rằng các thiên hà hoặc hố đen thực sự biến mất. Kết luận của nghiên cứu hẹp hơn một lời giải hoàn chỉnh: bằng chứng về môi trường phù hợp với một giai đoạn ngắn trong quá trình phát triển của thiên hà, nhưng các quá trình vật lý tạo ra và chấm dứt giai đoạn đó vẫn chưa rõ.

Điều gì khiến các vật thể này khác thường?

Các chấm đỏ nhỏ có hình dạng nhỏ gọn khác thường và màu sắc đặc trưng. Cấu trúc nhìn thấy được của chúng có thể chỉ rộng vài trăm parsec, trong đó một parsec tương đương khoảng 3,26 năm ánh sáng. Nhiều vật thể vẫn chưa phân giải được trong ảnh từ Máy ảnh Cận hồng ngoại của Webb, nghĩa là kính viễn vọng không thể phân biệt cấu trúc bên trong chúng.

Phổ của chúng có hình chữ V đặc trưng khi được biểu diễn theo bước sóng tử ngoại và quang học, sau khi quy đổi về những bước sóng tại chính vật thể. Chúng có độ dốc tử ngoại xanh và độ dốc quang học đỏ mạnh, với điểm chuyển tiếp nằm gần giới hạn Balmer, một ranh giới liên quan đến cách hydro hấp thụ ánh sáng. Tổ hợp đặc điểm này, chứ không chỉ riêng màu đỏ, giúp các nhà thiên văn nhận diện quần thể này.

Nhiều vật thể còn cho thấy các vạch phát xạ hydro rộng, với độ rộng vượt khoảng 1.000 km/giây. Nếu độ rộng này phản ánh chuyển động của khí dưới tác động hấp dẫn từ một hố đen trung tâm, chúng hàm ý khối lượng hố đen vào khoảng một triệu đến 100 triệu khối lượng Mặt Trời. Cách diễn giải này là lý do chính khiến các chấm đỏ nhỏ được xem là những nơi có thể diễn ra quá trình phát triển của hố đen.

Tuy nhiên, diện mạo của chúng không phù hợp với một cách lý giải duy nhất đã được xác lập. Khí đậm đặc có thể giải thích các đặc điểm hấp thụ và việc không phát hiện được tia X. Bụi có thể làm ánh sáng đỏ hơn, dù việc thiếu các phát hiện trực tiếp rõ ràng về phát xạ bụi khiến cách giải thích đơn giản dựa trên bụi gặp thách thức. Các giả thuyết khác gồm những đĩa vật chất vốn có màu đỏ, đang bồi tụ vào hố đen, hoặc khí đậm đặc bao quanh nguồn trung tâm.

Từ 170 ứng viên đến 98 môi trường được đo đạc

Các nhà nghiên cứu kết hợp ba danh mục thành một mẫu gồm 170 chấm đỏ nhỏ riêng biệt, có độ dịch chuyển đỏ từ 2 đến 9. Để phân tích môi trường và mức độ tụ cụm, họ giới hạn mẫu này còn 98 vật thể có độ dịch chuyển đỏ từ 3 đến 7, thuộc sáu vùng quan sát sâu: A2744, CEERS, GOODS South, GOODS North, COSMOS và UDS.

Độ dịch chuyển đỏ đo mức độ ánh sáng bị kéo giãn do vũ trụ giãn nở trong hành trình đến Trái Đất. Độ dịch chuyển đỏ càng lớn thường đồng nghĩa các nhà thiên văn đang quan sát một thời kỳ càng sớm. Bốn khoảng phân tích lần lượt gồm 16 vật thể có độ dịch chuyển đỏ từ 3 đến 4, 24 vật thể từ 4 đến 5, 33 vật thể từ 5 đến 6 và 25 vật thể từ 6 đến 7.

Mọi chấm đỏ nhỏ trong phân tích cuối cùng đều có độ dịch chuyển đỏ đo bằng quang phổ, tức được xác định từ phổ của chúng thay vì chỉ ước tính dựa trên màu sắc. Danh mục thiên hà đối chiếu có 17.636 vật thể, trong đó 727 vật thể có độ dịch chuyển đỏ đo bằng quang phổ. Với số còn lại, các nhà nghiên cứu sử dụng ước tính dựa trên phép đo qua nhiều bộ lọc, áp dụng yêu cầu về chất lượng và cân chỉnh độ sâu quan sát hiệu dụng giữa các quần thể.

Bằng chứng nằm trong môi trường xung quanh

Để đo môi trường của một vật thể, nhóm nghiên cứu đếm số thiên hà lân cận trong các vùng hình trụ lấy mỗi chấm đỏ nhỏ làm tâm. Họ so sánh số đếm quan sát được với số lượng dự kiến từ một phân bố ngẫu nhiên có tính đến phạm vi bao phủ và độ sâu của các khảo sát. Số đếm thấp hơn mức dự kiến cho thấy môi trường tương đối thưa thớt.

Phân tích sử dụng khoảng vận tốc cộng trừ 2.500 km/giây theo hướng nhìn. Kích thước hạn chế của các vùng quan sát giới hạn bán kính chiếu tối đa ở khoảng năm megaparsec đồng hành chia cho h. Khoảng cách đồng hành có tính đến sự giãn nở của vũ trụ, giúp các nhà nghiên cứu so sánh những cấu trúc lớn ở các thời kỳ khác nhau.

Ở độ dịch chuyển đỏ trên 4, mật độ thiên hà xung quanh các chấm đỏ nhỏ thấp hơn các thiên hà đối chiếu trong toàn bộ những bán kính được đo. Ở độ dịch chuyển đỏ từ 3 đến 4, môi trường của chúng trở nên tương đương. Điều này không có nghĩa mọi chấm đỏ nhỏ thuở ban đầu đều đơn độc. Kết quả cho thấy xét trên toàn quần thể, chúng sống trong những vùng ít đông đúc hơn các thiên hà thông thường được quan sát cùng thời kỳ.

Nhóm nghiên cứu kiểm tra mức độ nhạy của kết quả với phạm vi khảo sát bằng cách loại vùng UDS tương đối nông khỏi phân tích và nhận thấy các kết quả chính vẫn được giữ nguyên. Nhóm cũng ước tính độ bất định bằng cách lặp lại phân tích, mỗi lần bỏ đi một vùng quan sát. Những kiểm tra này giúp đánh giá liệu một khu vực cụ thể trên bầu trời có chi phối kết quả hay không.

Sự phát triển của quầng cung cấp thêm bằng chứng

Các nhà nghiên cứu cũng đo tần suất chấm đỏ nhỏ xuất hiện gần các thiên hà ở những khoảng cách khác nhau. Phân tích mức độ tụ cụm này cung cấp ước tính thống kê về khối lượng quầng vật chất tối chủ của chúng. Đây không phải phép cân trực tiếp từng vật thể riêng lẻ, và không nên nhầm khối lượng quầng với khối lượng sao hoặc hố đen trung tâm.

Bài báo ghi nhận khối lượng quầng tối đa 10 mũ 10,1 khối lượng Mặt Trời tại độ dịch chuyển đỏ khoảng 7,5 và khoảng 10 mũ 11,3 khối lượng Mặt Trời tại độ dịch chuyển đỏ khoảng 3,5. Các mức này tương ứng khoảng 12,6 tỷ và 200 tỷ khối lượng Mặt Trời. Chênh lệch giữa các mức khối lượng được nêu vào khoảng 16 lần, hoặc lớn hơn nếu khối lượng ở thời kỳ sớm thấp hơn giới hạn đã nêu.

Theo thông tin công bố, giá trị ở thời kỳ sớm được làm tròn thành 10 tỷ khối lượng Mặt Trời, còn mức tăng lên 200 tỷ tương ứng với hệ số 20. Sự khác biệt bắt nguồn từ các con số đã làm tròn và giới hạn trên của bài báo ở thời kỳ sớm. Bài báo cũng đặt mức khối lượng sớm nhất được nêu tại độ dịch chuyển đỏ 7,5, nằm ngoài khoảng độ dịch chuyển đỏ từ 3 đến 7 của 98 vật thể dùng trong phân tích môi trường chính.

Ở những thời kỳ sớm hơn, các chấm đỏ nhỏ nằm trong những quầng có khối lượng thấp hơn các thiên hà đối chiếu. Đến độ dịch chuyển đỏ khoảng 3,5, khối lượng suy ra tiệm cận mức của các thiên hà điển hình và các nhân thiên hà hoạt động có độ sáng thấp hơn. Sự phù hợp giữa phép đo mật độ và ước tính khối lượng quầng củng cố cách lý giải theo hướng tiến hóa, dù chưa xác lập lịch sử của từng vật thể riêng lẻ.

Dòng thời gian của quá trình chuyển đổi được giả thuyết

Các quan sát so sánh những quần thể được nhìn thấy ở các thời điểm khác nhau trong lịch sử vũ trụ. Chúng không theo dõi cùng một thiên hà qua một tỷ năm phát triển. Sự phân biệt này rất quan trọng: bằng chứng mô tả xu hướng của quần thể, từ đó các nhà nghiên cứu suy luận về một chuỗi tiến hóa có thể xảy ra.

• Khi vũ trụ khoảng 800 triệu năm tuổi, theo thông tin công bố, mức khối lượng quầng ở thời kỳ sớm vào khoảng 10 tỷ khối lượng Mặt Trời.
• Ở độ dịch chuyển đỏ trên 4, các chấm đỏ nhỏ được phân tích chủ yếu nằm trong những môi trường thưa thớt và dường như có hố đen lớn bất thường so với thiên hà chủ.
• Khi vũ trụ khoảng 1,8 tỷ năm tuổi, theo thông tin công bố, mức khối lượng quầng ở thời kỳ muộn vào khoảng 200 tỷ khối lượng Mặt Trời.
• Ở độ dịch chuyển đỏ từ 3 đến 4, môi trường xung quanh chúng giống môi trường của các thiên hà thông thường hơn.
• Ở độ dịch chuyển đỏ dưới 3, tương ứng rộng khái quát với vũ trụ đã hơn hai tỷ năm tuổi, chấm đỏ nhỏ trở nên ít phổ biến hơn nhiều.

Trình tự này ủng hộ ý tưởng rằng giai đoạn chấm đỏ nhỏ có thể kết thúc mà vật thể bên dưới không biến mất. Một thiên hà đang phát triển có thể không còn đáp ứng các tiêu chí về độ nhỏ gọn và màu sắc dùng để nhận diện nhóm này.

Hố đen của chúng có thực sự quá lớn?

Nghiên cứu liên kết sự phát triển của quầng với một câu hỏi khác: ở độ dịch chuyển đỏ trên 4, hố đen suy ra dường như có khối lượng lớn bất thường so với lượng sao trong thiên hà chủ. Để khảo sát mối quan hệ này, nhóm ước tính khối lượng sao trung bình bằng UniverseMachine, một mô hình thực nghiệm liên hệ khối lượng sao với khối lượng quầng.

Ở độ dịch chuyển đỏ khoảng 3,5, các mối quan hệ giữa khối lượng hố đen, khối lượng sao và khối lượng quầng gần với những gì đo được ở các thiên hà lân cận hơn, dù vẫn còn khác biệt. Một cách lý giải là hố đen tăng khối lượng từ sớm, trong khi thiên hà chủ sau đó tích tụ thêm sao và phát triển thành các quầng lớn hơn.

Có hai nguồn bất định đáng kể. Thứ nhất, mối quan hệ trong UniverseMachine có thể không mô tả chính xác những vật thể vẫn còn gây tranh cãi về bản chất vật lý. Thứ hai, khối lượng hố đen được ước tính từ các vạch phát xạ rộng, với giả định rằng chuyển động của khí chủ yếu phản ánh lực hấp dẫn. Sự tán xạ của electron trong khí ion hóa đậm đặc cũng có thể làm các vạch này rộng ra.

Nếu độ rộng vạch không chủ yếu phản ánh chuyển động do hấp dẫn, khối lượng hố đen có thể đã bị ước tính cao hơn khoảng một dex, tức gấp 10 lần. Các tác giả cho biết ngay cả khi giảm mức ước tính như vậy, các vật thể ở độ dịch chuyển đỏ trên 4 vẫn nằm trên mối quan hệ giữa khối lượng hố đen và khối lượng quầng đo được ở các thiên hà lân cận. Điều đó cho thấy sự không tương xứng có vẻ đáng để nghiên cứu, dù mức độ chính xác của nó vẫn chưa rõ.

Ba khả năng khiến giai đoạn chấm đỏ kết thúc

Nghiên cứu đưa ra một số cơ chế có thể xảy ra nhưng không khẳng định cơ chế nào đã được chứng minh. Các tác giả nêu giả thuyết liên quan đến chuyển động quay của quầng chủ:

Một cách giải thích có thể là giai đoạn LRD gắn với những điều kiện đặc biệt của quầng, chẳng hạn như độ xoáy thấp của quầng, vốn trở nên ít phổ biến hơn hoặc khó duy trì hơn ở các thời kỳ muộn.

Độ xoáy của quầng là mômen động lượng của cấu trúc vật chất tối. Nếu chấm đỏ nhỏ đòi hỏi một tập hợp điều kiện nhất định của quầng, việc chúng suy giảm có thể phản ánh những điều kiện đó ngày càng khó duy trì khi các thiên hà phát triển.

Khả năng thứ hai liên quan đến diện mạo. Khi thiên hà chủ tích tụ thêm sao, tăng kích thước và hình thành sao mạnh hơn, ánh sáng tổng hợp của chúng có thể không còn nằm trong các tiêu chí màu sắc dùng để chọn ra chấm đỏ nhỏ. Khi đó, việc nhận diện chúng như một nhóm riêng biệt sẽ khó hơn, ngay cả khi một số hoạt động ở trung tâm vẫn tiếp diễn.

Khả năng thứ ba là sự mất đi của khí đậm đặc. Nếu khí này góp phần duy trì quá trình phát triển nhỏ gọn, bị che khuất của hố đen hoặc quá trình hình thành sao, sự cạn kiệt khí có thể làm thay đổi phổ và diện mạo của vật thể. Sự phát triển của quầng và môi trường xung quanh thay đổi phù hợp với những khả năng này, nhưng không phép đo nào xác định được quá trình nào chiếm ưu thế.

Những câu hỏi còn bỏ ngỏ

Khan hiếm không đồng nghĩa với tuyệt chủng hoàn toàn. Nghiên cứu đề cập ba vật thể tương tự ở vùng lân cận, có độ dịch chuyển đỏ khoảng 0,1 đến 0,2, được nhận diện dựa trên những điểm tương đồng về phổ, hình dạng nhỏ gọn và đặc tính quang phổ. Môi trường xung quanh chúng được khảo sát bằng các danh mục thiên hà, trong đó có Bản công bố dữ liệu 1 của Thiết bị Quang phổ Năng lượng Tối và Bản công bố dữ liệu 12 của Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan.

Những vật thể hiếm gặp đó mở rộng phép so sánh môi trường đến gần vũ trụ hiện nay. Chúng không chứng minh quần thể thời kỳ đầu tồn tại nguyên vẹn. Đồng thời, chúng cũng cho thấy không nên xem chấm đỏ nhỏ là một nhóm đã hoàn toàn không còn tồn tại sau một thời điểm vũ trụ cụ thể.

Giới hạn quan sát chính là phân tích môi trường chủ yếu có quá ít chấm đỏ nhỏ dưới độ dịch chuyển đỏ 3 để nghiên cứu trực tiếp sự suy giảm với mức độ chi tiết tương tự. Lời giải thích dựa trên xu hướng chúng chuyển sang môi trường và khối lượng quầng thông thường hơn trước khi suy giảm, cùng với việc quần thể này vốn ít phổ biến hơn ở các thời kỳ muộn.

Vì vậy, nghiên cứu đưa ra một lời giải thích nhất quán cho việc các vật thể đặc trưng này trở nên ít gặp, chứ chưa phải lời giải cuối cùng về vật lý bên trong chúng. Cần có những ước tính khối lượng sao đáng tin cậy hơn, các kiểm nghiệm tốt hơn về nguyên nhân làm rộng vạch phát xạ và phép đo chắc chắn hơn đối với quần thể ở thời kỳ muộn để phân biệt giữa sự phát triển, thay đổi diện mạo và cạn kiệt khí. Nghiên cứu không đưa ra mốc thời gian cụ thể để giải đáp những bất định này.

Điểm chính

• Phân tích chính bao gồm 98 chấm đỏ nhỏ được xác nhận bằng quang phổ tại sáu vùng quan sát sâu.
• Ở độ dịch chuyển đỏ trên 4, chúng sống trong môi trường thưa thớt hơn các thiên hà thông thường dùng để đối chiếu.
• Ở độ dịch chuyển đỏ từ 3 đến 4, môi trường xung quanh chúng trở nên giống môi trường của các thiên hà khác hơn.
• Bài báo ghi nhận mức khối lượng quầng tăng từ tối đa khoảng 12,6 tỷ lên khoảng 200 tỷ khối lượng Mặt Trời qua các thời kỳ được nêu.
• Phát hiện ủng hộ giả thuyết đây là một giai đoạn tạm thời kết thúc khi thiên hà chủ phát triển, thay vì các thiên hà thực sự biến mất.
• Khối lượng hố đen, khối lượng sao và cơ chế vật lý chấm dứt giai đoạn này vẫn chưa rõ.