Các nhà thiên văn tại trường Đại học California, Berkeley vừa phát hiện ra hai lỗ đen lớn nhất từ trước đến nay – hai kẻ khổng lồ với khối lượng tương đương 10 ti mặt trời đang đe dọa nuốt chửng mọi thứ, kể cả ánh sáng, trong một vùng rộng gấp năm lần hệ mặt trời của chúng ta.
Hai lỗ đen này nằm tại tâm của hai thiên hà ở cách Trái đất 300 triệu năm ánh sáng và có lẽ là tàn dư tăm tối của một số thiên hà rất sáng, gọi là quasar, vốn đông đúc trong vũ trụ sơ khai.
“Trong vũ trụ sơ khai, có rất nhiều quasar hoặc nhân thiên hà hoạt động, và người ta nghĩ một số được cấp năng lượng bởi những lỗ đen to cỡ 10 tỉ khối lượng mặt trời hoặc lớn hơn,” phát biểu của Chung-Pei Ma, giáo sư thiên văn học tại UC Berkeley. “Hai lỗ đen siêu khối mới này có khối lượng bằng với những quasar trẻ, và có lẽ và liên kết còn thiếu giữa quasar và lỗ đen siêu khối mà chúng ta thấy ngày nay.”
Lỗ đen là sự tập trung vật chất rất đậm đặc tạo ra trường hấp dẫn mạnh đến mức cả ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài. Trong khi những ngôi sao đang bùng nổ, gọi là sao siêu mới, có thể để lại những lỗ đen có khối lượng của một ngôi sao giống như mặt trời của chúng ta, thì những lỗ đen siêu khối được cho là lớn lên từ sự hợp nhất của những lỗ đen khác hoặc bằng cách bắt giữ số lượng lớn các ngôi sao và những lượng lớn chất khí.
Ảnh minh họa những ngôi sao đang chuyển động trong vùng trung tâm của một thiên hà elip khổng lồ có chứa một lỗ đen siêu khối. Ảnh: Đài thiên văn Gemini/ Lynette Cook
“Những lỗ đen này có thể làm sáng tỏ xem lỗ đen và các thiên hà xung quanh chúng đã nuôi dưỡng nhau như thế nào kể từ thời vũ trụ sơ khai,” phát biểu của nghiên cứu sinh Nicholas McConnell tại trường UC Berkeley, tác giả thứ nhất của một bài báo đăng trên tạp chí Nature số ra ngày 8/12 trình bày về kết quả trên.
Cho đến nay, có khoảng 63 lỗ đen siêu khối đã được tìm thấy tại lõi của những thiên hà láng giềng. Lỗ đen lớn nhất trong hơn ba thập kỉ là một lỗ đen 6,3 tỉ khối lượng mặt trời nằm tại tâm của thiên hà láng giềng M87.
Một trong những lỗ đen mới phát hiện nặng 9,7 tỉ khối lượng mặt trời và nằm trong thiên hà elip NGC 3842, thiên hà sáng nhất trong đám thiên hà Leo, ở cách chúng ta 320 triệu năm ánh sáng theo hướng chòm sao Leo. Lỗ đen thứ hai lớn tương đương hoặc lớn hơn nữa và nằm trong thiên hà elip NGC 4889, thiên hà sáng nhất trong đám Coma cách Trái đất chừng 336 triệu năm ánh sáng theo hướng chòm sao Coma Berenices.
NGC 3842 (phía trên bên trái) là thiên hà sáng nhất trong một đám thiên hà đông đúc. Lỗ đen nằm tại tâm của nó (ở giữa ảnh minh họa) bị bao quanh bởi những ngôi sao biến dạng bởi trường hấp dẫn mạnh của nó. Lỗ đen trên, lớn gấp bảy lần quỹ đạo của Pluto, khiến hệ mặt trời của chúng ta trở nên quá nhỏ bé (khung ảnh nhỏ). Ảnh: Pete Marenfeld
Theo McConnell, một nhà nghiên cứu trong nhóm, những lỗ đen này có một chân trời sự cố - ranh giới “đánh rơi mọi hi vọng” từ đó kể cả ánh sáng cũng không thể thoát ra – lớn gấp 200 lần quỹ đạo của Trái đất, hoặc gấp 5 lần quỹ đạo của Pluto. Nằm ngoài chân trời sự cố, mỗi lỗ đen có một tầm hấp dẫn trải rộng trên một quả cầu đường kính 4000 năm ánh sáng.
“Để so sánh, những lỗ đen này nặng gấp 2500 lần lỗ đen tại tâm của Dải Ngân hà, lỗ đen của chúng ta có chân trời sự cố bằng một phần năm quỹ đạo của Thủy tinh,” McConnell cho biết.
Thiên hà sáng nhất trong một đám
Những lỗ đen 10 tỉ khối lượng mặt trời như thế này cho đến nay vẫn còn ẩn náu, có lẽ vì chúng đang sống trong giai đoạn yên nghỉ lặng lẽ, Ma cho biết. Trong những ngày quasar hoạt động của chúng hồi chừng 10 tỉ năm trước, chúng quét sạch vùng láng giềng bởi việc nuốt chửng vô số chất khí và bụi. Chất khí sống sót trở thành những ngôi sao kể từ đó đã quay xung quanh một cách hòa bình. Theo Ma, những lỗ đen khổng lồ này, và những thiên hà khổng lồ không kém của chúng, có khả năng chứa một nghìn tỉ ngôi sao đã bị nén vào vùng tăm tối tại tâm của các đám thiên hà.
Là một nhà thiên văn vật lí lí thuyết, Ma quyết định đi tìm những lỗ đen khổng lồ này trong những đám thiên hà elip tương đối gần là kết quả của những chương trình mô phỏng trên máy tính của bà về sự hợp nhất thiên hà.
Các nhà thiên văn tin rằng nhiều thiên hà, nếu không nói là tất cả, có một lỗ đen tại tâm, thiên hà càng lớn thì chứa lỗ đen càng lớn. Những lỗ đen lớn nhất được tìm thấy trong những thiên hà xoắn ốc, chúng được cho là sự hợp nhất của hai thiên hà xoắn ốc. Tuy nhiên, Ma tìm thấy sự hợp nhất của những thiên hà elip bản thân chúng có thể tạo ra những thiên hà elip lớn hơn cũng như những lỗ đen siêu khối đạt tới 10 tỉ khối lượng mặt trời. Những lỗ đen này có thể còn lớn lên thêm bằng cách nuốt lấy chất khí còn sót lại từ sự hợp nhất.
“Những vụ hợp nhất bội là một cách tạo nên những kẻ khổng lồ này,” Ma nói.
Để tìm kiếm những lỗ đen kếch xù này, Ma hợp tác với các nhà thiên văn thực nghiệm, trong đó có James Graham, một giáo sư thiên văn học tại trường UC Berkeley và Đại học Toronto, và Karl Gebhardt, một giáo sư thiên văn học tại Đại học Texas ở Austin. Gebhardt đã thu được khối lượng của lỗ đen kỉ lục trước đây trong thiên hà M87.
Sử dụng các kính thiên văn tại đài thiên văn Gemini và Keck ở Hawaii và tại Đài thiên văn McDonald ở Texas, McConnell và Ma đã thu được phổ chi tiết của ánh sáng sao khuếch tán tạo tâm của một số thiên hà elip lớn, mỗi thiên hà sáng nhất trong đám của nó. Cho đến nay, họ đã phân tích vận tốc quỹ đạo của các ngôi sao trong hai thiên hà và đã tính khối lượng ở giữa nằm trong ngưỡng quasar. Việc có những khối lượng khổng lồ như vậy chứa trong một thể tích chỉ vài trăm năm ánh sáng bề ngang khiến các nhà thiên văn kết luận rằng những khối lượng đó là những lỗ đen khổng lồ.
“Nếu toàn bộ khối lượng đó là những ngôi sao thì chúng ta sẽ thấy ánh sáng của chúng”, Ma nói.
Việc lập mô phỏng những thiên hà khổng lồ này đòi hỏi sử dụng những siêu máy tính tân tiến tại Trung tâm Điện toán Cao cấp Texas.
“Đối với một nhà thiên văn, việc tìm thấy những lỗ đen vô độ này giống như việc cuối cùng đã bắt gặp những người cao 9 foot [khoảng 2,7 m], những người có chiều cao lớn chỉ có thể suy luận ra từ xương hóa thạch. Làm thế nào họ đã phát triển cao lớn như thế?” Ma nói. “Kết quả hiếm hoi này sẽ giúp chúng ta tìm hiểu những lỗ đen này có bố mẹ rất cao hay là đã ăn quá nhiều spinach.”
Nguồn: Đại học California - Berkeley
