Lần đầu tiên ‘mổ tim’ thành công thiên hà M87

Lần đầu tiên các nhà thiên văn đã quan sát được nguồn gốc của vòi vật chất phát ra từ thiên hà M87. Kết quả cho thấy một lỗ đen đang quay tròn tại tâm của thiên hà và những hiệu chỉnh trong tương lai của kĩ thuật trên có thể mang lại phép kiểm tra chặt chẽ nhất của thuyết tương đối rộng Einstein.

Đa số các thiên hà, kể cả Dải Ngân hà của chúng ta, được cho là có chứa một lỗ đen siêu khối tại tâm của chúng. Ở một số thiên hà, vật chất rơi vào trong lỗ đen tạo ra một cái đĩa bồi tụ phát ra những lượng lớn bức xạ trên khắp phổ điện từ. Những thiên hà như vậy được gọi là ‘thiên hà hoạt động’. Kịch tính hơn nữa là 10% trong số các thiên hà hoạt động còn có một cái vòi vật chất tương đối tính phát ra từ lõi của chúng.

Một ví dụ đẹp là M87, một thiên hà elip khổng lồ nằm cách Trái đất 50 triệu năm ánh sáng. M87 gửi đi một vòi plasma mỏng, dài 5000 năm ánh sáng vào trong không gian. Tuy nhiên, bức xạ tại tâm của nó quá mạnh nên các photon ánh sáng thường tán xạ lên nhau, chặn mất tầm nhìn của nhà thiên văn về nơi phát ra vòi vật chất. Mặc dù là một trong những vòi vật chất tương đối tính được nghiên cứu nhiều nhất, nhưng vòi M87 vẫn để lại những câu hỏi chưa được trả lời về cơ chế hình thành chính xác của nó.

Ảnh mô phỏng một vài vật chất phát ra từ một lỗ đen đang quay, bao xung quanh là một đĩa vật chất đang bồi tụ. Lỗ đen đang quay bằng một nửa tốc độ tối đa và khối lượng của nó bằng khối lượng của lỗ đen tại tâm của thiên hà elip M87. “Cái bóng” lỗ đen ở giữa xuất hiện trong mô phỏng này. (Ảnh: Avery E Broderick)

Tách múi bưởi trên mặt trăng

Nay, sử dụng Kính thiên văn Chân trời Mới (EHT), các nhà thiên văn ở Mĩ, đứng đầu là Sheperd Doeleman thuộc Đài thiên văn MIT Haystack ở Massachusetts, đã lần đầu tiên nhìn được nơi phát của vòi vật chất đó. “Chúng tôi đã thiết kế một chiếc thiên văn ảo cỡ bằng Trái đất bằng cách liên kết các đĩa vô tuyến ở California, Arizona và Hawaii lại với nhau,” Doeleman nói. Cách kết hợp những chiếc kính thiên văn phân bố rộng như thế này được gọi là phép đo giao thoa đường cơ sở rất dài. Một đường cơ sở dài như vậy đồng nghĩa với việc Doeleman và các đồng sự có thể thu được độ phân giải chưa có tiền lệ. “Độ phân giải này ngang với việc tách múi một quả bưởi trên Mặt trăng,” Doeleman giải thích.

Nơi phát ra vòi vật chất đó chỉ có quy mô 5,5 bán kính Schwarzchild – nhỏ hơn đáng kể so với các đĩa bồi tụ. Bán kính Schwarzchild là khoảng cách từ tâm của lỗ đen đến chỗ có vận tốc thoát khỏi sức hút hấp dẫn của nó vượt quá tốc độ ánh sáng. Kích cỡ nhỏ của nơi phát ra vòi vật chất cho phép đội nghiên cứu suy luận ra một số tính chất của lỗ đen đang tạo ra nó. “Các mô hình cho thấy vòi vật chất sẽ có đường kính 7,4 [bán kính Schwarzchild] cho một lỗ đen không quay,” Doeleman nói. “Đối với một lỗ đen đang quay, trong đó đĩa bồi tụ quay ngược chiều quay của lỗ đen, chúng tôi trông đợi con số đó lớn hơn 9,” ông nói. Thực tế nó nhỏ bằng 5,5 gợi ý rằng lỗ đen tại tâm của M87 đang quay tròn, nhưng cái đĩa bồi tụ quay cùng chiều quay của nó.

Lâu nay người ta cho rằng các lỗ đen đang quay có thể tạo ra những vòi vật chất tương đối tính ở những thiên hà hoạt động, nhưng bằng chứng vẫn còn lảng tránh. “Người ta đã từng giả định, nhưng nay chúng tôi đã tìm thấy bằng chứng và một kĩ thuật ủng hộ cho nó,” Doeleman nói. “Chúng tôi đã chính thức liên hệ những vùng quy mô rất nhỏ, nơi thuyết tương đối rộng là quan trọng, với những cấu trúc vòi vật chất quy mô lớn,” ông nói. Lí thuyết của Einstein có thể sẽ được kiểm tra chặt chẽ hơn khi các kính thiên văn đang xây dựng đi vào hoạt động trong những năm sắp tới. Hi vọng Ma trận Lớn Millimet Atacama (ALMA), hiện đang xây dựng trong sa mạc Chile, có thể gia nhập cùng các kính thiên văn EHT khác vào năm 2015. “Có thêm ALMA độ phân giải của chúng tôi sẽ tăng lên gấp đôi,” Doeleman nói.

Thẩm tra thuyết tương đối rộng

Một sự nâng cấp như vậy sẽ cho phép các nhà thiên văn quan sát “cái bóng” của lỗ đen. Vì sự uốn cong cực độ của không gian do lực hấp dẫn cực mạnh của lỗ đen, nên ánh sáng truyền ra xa phía Trái đất bị bẻ uốn ngược lại thành một cái vòng với mảng mờ - hay cái bòng - ở chính giữa. Kích cỡ chính xác và hình dạng của cái bóng này bị chi phối bởi các phương trình thuyết tương đối rộng Einstein. So sánh dự đoán với phép đo dưới những điều kiện cực độ này có thể là phép kiểm tra tối hậu cho thuyết tương đối. “Chúng ta sẽ sớm có những công cụ đẩy lí thuyết Einstein tới giới hạn. Nếu các lí thuyết của ông bị sụp đổ ở đâu đó, thì mồ chôn của nó chính là ở đây,” Doeleman nói.

Tham khảo: http://dx.doi.org/10.1126/science.1224768

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com