Tạo ra plasma lỗ đen trong phòng thí nghiệm

Hiệp Khách Quậy Các lỗ đen thật phàm ăn: Chúng nuốt chửng lấy những lượng lớn vật chất từ những đám mây khí hay các ngôi sao trong vùng láng giềng của chúng. Khi “thức ăn” chuyển động xoắn ốc mỗi lúc một nhanh hơn vào trong cái miệng đen ngòm háu đói, nó mỗi lúc một đậm đặc hơn, và nóng lên tới nhiệt độ nhiều triệu... Xin mời đọc tiếp.

Các lỗ đen thật phàm ăn: Chúng nuốt chửng lấy những lượng lớn vật chất từ những đám mây khí hay các ngôi sao trong vùng láng giềng của chúng. Khi “thức ăn” chuyển động xoắn ốc mỗi lúc một nhanh hơn vào trong cái miệng đen ngòm háu đói, nó mỗi lúc một đậm đặc hơn, và nóng lên tới nhiệt độ nhiều triệu độ Celsius. Trước khi vật chất cuối cùng biến mất, nó phát ra các tia X cường độ mạnh bất thường vào trong không gian. “Tiếng khóc cuối cùng” này phát sinh từ sắt, một trong những nguyên tố chứa trong khối vật chất này. Các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lí hạt nhân Max Planck ở Heidelberg, hợp tác với các đồng nghiệp tại Helmholtz Zentrum Berlin, đã sử dụng nguồn tia X synchrotron BESSY II để nghiên cứu cái xảy ra trong quá trình này.

 

Có rất nhiều chuyển động xoáy trong nạn nhân của một lỗ đen. Chính xác thì cái gì diễn ra ở đó? Ảnh: NASA/Dana Berry, SkyWorks Digital

Để tìm hiểu bản chất của các lỗ đen, cách tốt nhất là quan sát chúng đang nuốt lấy vật chất. Chỗ thú vị nhất là ngay trước khi vật chất biến mất phía sau chân trời sự cố - tức là khoảng cách mà tại đó sức hút hấp dẫn của lỗ đen trở nên mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài. Quá trình xoáy này phát ra các tia X, làm kích thích các nguyên tố hóa học đa dạng trong đám mây vật chất, khiến chúng phát ra tia X của chúng với các vạch phổ (“màu”) đặc trưng. Việc phân tích cách vạch phổ cung cấp thông tin về mật độ, vận tốc và thành phần của các plasma ở gần chân trời sự cố.

Trong quá trình này, sắt giữ một vai trò quan trọng. Mặc dù nó không dồi dào trong vũ trụ như các nguyên tố nhẹ hơn – chủ yếu là hydrogen và helium – nhưng nó hấp thụ và phát xạ tia X tốt hơn nhiều. Do đó, các photon phát ra cũng có năng lượng cao hơn, tương ứng với bước sóng ngắn hơn (hay một “màu” khác), so với photon phát ra của các nguyên tử nhẹ hơn.

Vì thế, chúng để lại những dấu vân tay rõ ràng trong cầu vồng của bức xạ khuếch tán: trong quang phổ, chúng tự biểu hiện dưới dạng những vạch phổ đậm. Cái gọi là vạch alpha-K của sắt là dấu hiệu phổ khả kiến cuối cùng của vật chất, “tiếng khóc cuối cùng” của nó, trước khi nó biến mất phía sau chân trời sự cố của một lỗ đen, không bao giờ xuất hiện trở lại nữa.

Các tia X phát ra cũng bị hấp thụ khi chúng đi qua môi trường xung quanh lỗ đen ở những khoảng cách lớn hơn. Và ở đây, một lần nữa, sắt để lại dấu vân tay rõ ràng trong quang phổ. Bức xạ đó làm ion các nguyên tử vài lần và cái gọi là sự quang ion hóa thường bóc ra hơn một nửa trong số 26 electron mà nguyên tử sắt thường hay có. Sự ion hóa này tạo ra các ion với các trạng thái điện tích dương tương ứng với số electron bị bóc ra. Kết quả cuối cùng là các ion tích điện cao được tạo ra không chỉ bởi sự va chạm, mà còn bởi bức xạ.

Chính quá trình bóc thêm electron ra khỏi các ion tích điện cao bởi các tia X tới như thế này là cái các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lí hạt nhân Max Planck vừa tái dựng được trong phòng thí nghiệm, với sự hợp tác của các đồng nghiệp tại nguồn tia X synchrotron BESSY II. Trung tâm của thiết bị trên là một bẫy ion chùm electron EBIT do Viện Max-Planck thiết kế. Bên trong bẫy, các nguyên tử sắt được làm nóng lên với sự hỗ trợ của chùm electron cường độ mạnh giống như khi chúng ở sâu bên trong mặt trời hoặc, như trong trường hợp này, bên trong nạn nhân của một lỗ đen. Dưới những điều kiện như vậy, sắt tồn tại, chẳng hạn, dưới dạng ion Fe14+ bị ion hóa đến 14 lần. Thí nghiệm diễn ra như sau: Một đám mây gồm những ion này, chỉ dài vài centi mét và mỏng cỡ một sợi tóc người, được giữ lơ lửng trong một chân không cực cao với sự hỗ trợ của từ trường và điện trường. Tia X phát ra từ synchrotron khi đó tác động lên đám mây này; năng lượng photon của tia X được chọn lọc bằng một “bộ lọc đơn sắc” với độ chính xác cực cao và hướng lên trên các ion dưới dạng một chùm tia hội tụ, mỏng.

 

Các nhà nghiên cứu sử dụng EBIT, bẫy ion chùm electron, để tái dựng các quá trình trong phòng thí nghiệm giống như khi chúng xảy ra trong vật chất xung quanh các lỗ đen. Ảnh: MPI for Nuclear Physics

Các vạch phổ đo được trong thí nghiệm này có thể so sánh trực tiếp và dễ dàng với các quan sát gần đây nhất thực hiện bởi các đài thiên văn tia X, như Chandra và XMM-Newton. Hóa ra đa số các phương pháp tính toán lí thuyết đã sử dụng không tiên đoán đủ chính xác vị trí các vạch phổ. Đây là một vấn đề lớn cho các nhà thiên văn vật lí học, vì không biết chính xác bước sóng thì không xác định chính xác cái gọi là hiệu ứng Doppler của những vạch phổ này.

Hiệu ứng Doppler mô tả sự thay đổi tần số (năng lượng hay bước sóng) của ánh sáng phát ra là một hàm của vận tốc của nguồn (các ion trong plasma). Bất kì ai từng nghe tiếng còi của xe cứu thương chạy qua đều có kinh nghiệm về hiện tượng này: khi xe đang tiến lại gần thì tiếng còi nghe réo rắt; khi nó chạy ra thì tiếng còi nghe trầm đi. Nếu tần số trong hệ đứng yên là đã biết (lúc xe cứu thương đang dừng), thì việc đo độ cao của âm thanh có thể xác định vận tốc của nguồn – trong thiên văn học, đây là plasma.

Điều này khiến các nhà khoa học phải vắt óc suy nghĩ cách giải thích NGC 3783, một trong những nhân thiên hà hoạt động đã được nghiên cứu với thời gian lâu nhất. Sai số về tần số trong hệ quy chiếu đứng yên được tính với sự hỗ trợ của các mô hình lí thuyết khác nhau dẫn tới những sai số lớn ở vận tốc suy luận ra của plasma phát xạ mà các phát biểu đáng tin cậy về các dòng plasma không còn phát huy tác dụng nữa.

Các phép đo thí nghiệm của các nhà nghiên cứu Max Planck ở Heidelberg nay đã nhận ra một phương pháp lí thuyết trong số vài phép tính mô phỏng mang lại những tiên đoán chính xác nhất. Họ còn thu được độ phân giải phổ cao nhất tính từ trước đến nay trong ngưỡng bước sóng này. Trước đây, người ta không thể kiểm tra thực nghiệm các lí thuyết khác nhau trong ngưỡng năng lượng này với độ chính xác cao như vậy.

Sự kết hợp mới lại của một bẫy ion tích điện cao và các nguồn phát bức xạ synchrotron, vì thế, tiêu biểu cho một bước tiến bộ quan trọng và một cách tiếp cận mới nhằm tìm hiểu cơ sở vật lí trong các plasma xung quanh các lỗ đen hay các nhân thiên hà hoạt động. Các nhà nghiên cứu hi vọng sự kết hợp của quang phổ kế EBIT và các nguồn tia X ngày một sáng hơn của thế hệ thứ ba (PETRA III tại DESY) và thứ tư (laser electron tự do XFEL, Hamburg/Đức LCLS, Stanford, Mĩ; SCSS, Tsukuba, Nhật Bản) sẽ mang lại những thành quả mới cho lĩnh vực nghiên cứu này.

Nguồn: Max-Planck-Gesellschaft, PhysOrg.com
Ngày: 04/11/2010

Mời đọc thêm