Jinu
Intern Writer
Trong vũ trụ bao la, có những vũ điệu chết chóc mà chúng ta chỉ mới bắt đầu hé mở, và vũ điệu của hai hố đen siêu khối lượng khổng lồ này chính là một trong số đó. Hầu hết các thiên hà lớn đều có một hố đen siêu khối lượng ở trung tâm, với khối lượng từ vài triệu đến vài tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Nhưng làm thế nào mà những "quái vật" vũ trụ này lại lớn đến mức đó vẫn là một câu hỏi lớn, và các nhà khoa học tin rằng việc sáp nhập với các hố đen khổng lồ khác đóng vai trò then chốt.
Các vụ va chạm thiên hà là điều khá phổ biến trong vũ trụ, điều này có nghĩa là các hố đen siêu khối lượng ở trung tâm chúng cuối cùng cũng có thể hợp nhất. Trước khi sáp nhập thành một thực thể duy nhất, hai hố đen này được dự đoán sẽ quay quanh nhau và dần dần tiến lại gần. Tuy nhiên, việc mô phỏng chính xác giai đoạn cuối của quá trình này luôn là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học. Mặc dù các vụ sáp nhập thiên hà diễn ra thường xuyên trên thang thời gian vũ trụ, nhưng trước đây chưa có bằng chứng xác thực nào về một cặp hố đen siêu khối lượng ở khoảng cách gần.
Mới đây, một nghiên cứu về thiên hà Markarian 501 (Mrk501) trong chòm sao Vũ Tiên đã mang đến bằng chứng thuyết phục. Nhóm nghiên cứu quốc tế do Silke Britzen từ Viện Thiên văn Vô tuyến Max Planck (MPIfR) ở Bonn, Đức, dẫn đầu đã phát hiện dấu hiệu trực tiếp của một cặp hố đen siêu khối lượng tại trung tâm Mrk501. Kết quả đột phá này đã được công bố trên tạp chí *Monthly Notices of the Royal Astronomical Society*.
Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu đã phân tích dữ liệu quan sát vô tuyến độ phân giải cao trong suốt 23 năm, thu thập từ hàng chục lần quan sát. Thay vì chỉ thấy một luồng vật chất (jet) mạnh mẽ phóng ra từ hố đen siêu khối lượng trung tâm Mrk501 với tốc độ gần bằng ánh sáng, họ bất ngờ phát hiện ra một luồng thứ hai. Những quan sát này lần đầu tiên cung cấp hình ảnh trực tiếp về một hệ thống như vậy ở trung tâm thiên hà, đồng thời đưa ra bằng chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của một hố đen siêu khối lượng thứ hai. "Chúng tôi đã tìm kiếm nó rất lâu, và hoàn toàn bất ngờ khi không chỉ nhìn thấy luồng vật chất thứ hai mà còn theo dõi được chuyển động của nó," Silke Britzen chia sẻ.
Luồng vật chất thứ nhất hướng về phía Trái Đất, khiến nó trở nên cực kỳ sáng và dễ dàng được các nhà thiên văn học nghiên cứu trong nhiều năm. Luồng thứ hai lại hướng theo một chiều khác, khiến việc phát hiện nó khó khăn hơn. Tuy nhiên, chỉ trong vài tuần, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận những thay đổi đáng kể: luồng vật chất thứ hai xuất hiện từ phía sau hố đen lớn hơn và di chuyển ngược chiều kim đồng hồ theo một mô hình lặp lại. "Cảm giác khi đánh giá dữ liệu này giống như đang ở trên một con thuyền vậy. Toàn bộ hệ thống luồng vật chất đang chuyển động. Một hệ thống hố đen đôi có thể giải thích điều này: mặt phẳng quỹ đạo đang bị lung lay," Silke Britzen giải thích.
Thậm chí, trong một lần quan sát, đường đi của bức xạ từ hệ thống này đã bị bẻ cong nghiêm trọng, tạo thành hình dạng một chiếc nhẫn – được gọi là Vòng Einstein. Giải thích khả dĩ nhất là hệ thống này thẳng hàng hoàn hảo với Trái Đất, và hố đen ở phía trước đã đóng vai trò như một thấu kính hấp dẫn, bẻ cong ánh sáng từ luồng vật chất phía sau nó.
Thông qua việc nghiên cứu những thay đổi dài hạn và các mô hình độ sáng lặp lại trong các luồng vật chất, các nhà nghiên cứu kết luận rằng hai hố đen này quay quanh nhau mỗi 121 ngày. Khoảng cách giữa chúng chỉ khoảng 250 đến 540 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời (tương đương 37,4 tỷ đến 80,8 tỷ km). Đối với những thiên thể có khối lượng từ hàng trăm triệu đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời, đây là một khoảng cách cực kỳ nhỏ. Dựa vào khối lượng thực tế của chúng, cặp hố đen này có thể nhanh chóng tiến lại gần và sáp nhập chỉ trong vòng 100 năm tới.
Vì Mrk501 nằm ở khoảng cách quá xa, ngay cả những thiết bị tiên tiến nhất như Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT) – từng chụp được những hình ảnh hố đen đầu tiên – cũng không thể phân giải trực tiếp hai hố đen này thành các thực thể riêng biệt. Do đó, các nhà thiên văn học không thể quan sát trực tiếp quỹ đạo đang co lại của chúng. Mặc dù vậy, các nhà nghiên cứu vẫn kỳ vọng sẽ phát hiện ra dấu hiệu của sự sáp nhập thông qua sóng hấp dẫn. Hệ thống này dự kiến sẽ tạo ra sóng hấp dẫn tần số cực thấp, có thể quan sát được bằng các Mảng Thời gian Pulsar (PTAs).
Các hệ thống hố đen siêu khối lượng đôi (SMBHBs) đã được coi là lời giải thích chính cho nền sóng hấp dẫn được phát hiện trước đây bởi Mảng Thời gian Pulsar Châu Âu và các tổ chức hợp tác khác. Giờ đây, Mrk501 đã trở thành một trong những ứng cử viên sáng giá nhất để liên kết các phép đo PTA với một hệ thống hố đen siêu khối lượng đôi cụ thể. "Nếu phát hiện được sóng hấp dẫn, chúng ta thậm chí có thể thấy tần số của chúng tăng đều đặn khi hai thiên thể khổng lồ này xoắn ốc lại gần nhau để va chạm, mang đến cơ hội hiếm có để quan sát quá trình sáp nhập hố đen siêu khối lượng," đồng tác giả Hector Olivares cho biết.
Khám phá này không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách các hố đen siêu khối lượng phát triển mà còn mở ra cánh cửa mới để nghiên cứu sóng hấp dẫn, một trong những hiện tượng bí ẩn nhất của vũ trụ.
Theo thông tin từ Viện Max Planck.
Các vụ va chạm thiên hà là điều khá phổ biến trong vũ trụ, điều này có nghĩa là các hố đen siêu khối lượng ở trung tâm chúng cuối cùng cũng có thể hợp nhất. Trước khi sáp nhập thành một thực thể duy nhất, hai hố đen này được dự đoán sẽ quay quanh nhau và dần dần tiến lại gần. Tuy nhiên, việc mô phỏng chính xác giai đoạn cuối của quá trình này luôn là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học. Mặc dù các vụ sáp nhập thiên hà diễn ra thường xuyên trên thang thời gian vũ trụ, nhưng trước đây chưa có bằng chứng xác thực nào về một cặp hố đen siêu khối lượng ở khoảng cách gần.
Mới đây, một nghiên cứu về thiên hà Markarian 501 (Mrk501) trong chòm sao Vũ Tiên đã mang đến bằng chứng thuyết phục. Nhóm nghiên cứu quốc tế do Silke Britzen từ Viện Thiên văn Vô tuyến Max Planck (MPIfR) ở Bonn, Đức, dẫn đầu đã phát hiện dấu hiệu trực tiếp của một cặp hố đen siêu khối lượng tại trung tâm Mrk501. Kết quả đột phá này đã được công bố trên tạp chí *Monthly Notices of the Royal Astronomical Society*.
Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu đã phân tích dữ liệu quan sát vô tuyến độ phân giải cao trong suốt 23 năm, thu thập từ hàng chục lần quan sát. Thay vì chỉ thấy một luồng vật chất (jet) mạnh mẽ phóng ra từ hố đen siêu khối lượng trung tâm Mrk501 với tốc độ gần bằng ánh sáng, họ bất ngờ phát hiện ra một luồng thứ hai. Những quan sát này lần đầu tiên cung cấp hình ảnh trực tiếp về một hệ thống như vậy ở trung tâm thiên hà, đồng thời đưa ra bằng chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của một hố đen siêu khối lượng thứ hai. "Chúng tôi đã tìm kiếm nó rất lâu, và hoàn toàn bất ngờ khi không chỉ nhìn thấy luồng vật chất thứ hai mà còn theo dõi được chuyển động của nó," Silke Britzen chia sẻ.
Luồng vật chất thứ nhất hướng về phía Trái Đất, khiến nó trở nên cực kỳ sáng và dễ dàng được các nhà thiên văn học nghiên cứu trong nhiều năm. Luồng thứ hai lại hướng theo một chiều khác, khiến việc phát hiện nó khó khăn hơn. Tuy nhiên, chỉ trong vài tuần, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận những thay đổi đáng kể: luồng vật chất thứ hai xuất hiện từ phía sau hố đen lớn hơn và di chuyển ngược chiều kim đồng hồ theo một mô hình lặp lại. "Cảm giác khi đánh giá dữ liệu này giống như đang ở trên một con thuyền vậy. Toàn bộ hệ thống luồng vật chất đang chuyển động. Một hệ thống hố đen đôi có thể giải thích điều này: mặt phẳng quỹ đạo đang bị lung lay," Silke Britzen giải thích.
Thậm chí, trong một lần quan sát, đường đi của bức xạ từ hệ thống này đã bị bẻ cong nghiêm trọng, tạo thành hình dạng một chiếc nhẫn – được gọi là Vòng Einstein. Giải thích khả dĩ nhất là hệ thống này thẳng hàng hoàn hảo với Trái Đất, và hố đen ở phía trước đã đóng vai trò như một thấu kính hấp dẫn, bẻ cong ánh sáng từ luồng vật chất phía sau nó.
Thông qua việc nghiên cứu những thay đổi dài hạn và các mô hình độ sáng lặp lại trong các luồng vật chất, các nhà nghiên cứu kết luận rằng hai hố đen này quay quanh nhau mỗi 121 ngày. Khoảng cách giữa chúng chỉ khoảng 250 đến 540 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời (tương đương 37,4 tỷ đến 80,8 tỷ km). Đối với những thiên thể có khối lượng từ hàng trăm triệu đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời, đây là một khoảng cách cực kỳ nhỏ. Dựa vào khối lượng thực tế của chúng, cặp hố đen này có thể nhanh chóng tiến lại gần và sáp nhập chỉ trong vòng 100 năm tới.
Vì Mrk501 nằm ở khoảng cách quá xa, ngay cả những thiết bị tiên tiến nhất như Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT) – từng chụp được những hình ảnh hố đen đầu tiên – cũng không thể phân giải trực tiếp hai hố đen này thành các thực thể riêng biệt. Do đó, các nhà thiên văn học không thể quan sát trực tiếp quỹ đạo đang co lại của chúng. Mặc dù vậy, các nhà nghiên cứu vẫn kỳ vọng sẽ phát hiện ra dấu hiệu của sự sáp nhập thông qua sóng hấp dẫn. Hệ thống này dự kiến sẽ tạo ra sóng hấp dẫn tần số cực thấp, có thể quan sát được bằng các Mảng Thời gian Pulsar (PTAs).
Các hệ thống hố đen siêu khối lượng đôi (SMBHBs) đã được coi là lời giải thích chính cho nền sóng hấp dẫn được phát hiện trước đây bởi Mảng Thời gian Pulsar Châu Âu và các tổ chức hợp tác khác. Giờ đây, Mrk501 đã trở thành một trong những ứng cử viên sáng giá nhất để liên kết các phép đo PTA với một hệ thống hố đen siêu khối lượng đôi cụ thể. "Nếu phát hiện được sóng hấp dẫn, chúng ta thậm chí có thể thấy tần số của chúng tăng đều đặn khi hai thiên thể khổng lồ này xoắn ốc lại gần nhau để va chạm, mang đến cơ hội hiếm có để quan sát quá trình sáp nhập hố đen siêu khối lượng," đồng tác giả Hector Olivares cho biết.
Khám phá này không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách các hố đen siêu khối lượng phát triển mà còn mở ra cánh cửa mới để nghiên cứu sóng hấp dẫn, một trong những hiện tượng bí ẩn nhất của vũ trụ.
Theo thông tin từ Viện Max Planck.
