Các nhà thiên văn sử dụng kính thiên văn Keck vừa tìm thấy một ngôi sao mới quay rất gần một lỗ đen siêu khối được cho là nằm tại tâm của Dải Ngân hà. Đây là ngôi sao thứ hai mà các nhà nghiên cứu quan sát thấy đã hoàn tất một vòng quỹ đạo – và sự khám phá ra nó xác nhận sự có mặt của lỗ đen mà không nghi ngờ gì nữa. Những quan sát trong tương lai của cả hai ngôi sao đang quay đó có thể cung cấp một phép kiểm tra độc đáo của thuyết tương đối rộng.
Kính thiên văn Keck ngự trên đỉnh Mauna Kea ở Hawaii đã được đưa vào sử dụng kể từ giữa thập niên 1990 để khảo sát có hệ thống khu vực xung quanh tâm của Dải Ngân hà. Trong khi triển khai, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một số ngôi sao dường như đang quay xung quanh một vật thể trung tâm đặt tên là Sgr A* (Sagittarius A Star"). Từ những phép đo đặc trưng quỹ đạo của những ngôi sao đó, người ta tính được rằng Sgr A* phải có khối lượng gấp chừng bốn triệu lần khối lượng của Mặt trời. Vật thể thiên văn duy nhất được biết có thể đồ sộ như thế, nhưng tồn tại trong một không gian nhỏ như thế, là một lỗ đen.
Tuy nhiên, chỉ có quỹ đạo của một ngôi sao – S0-2 – có số liệu bao quát toàn bộ hành trình 16,5 năm của nó xung quanh tâm quay. Số liệu về những ngôi sao còn lại chiếm chưa tới 40% quỹ đạo của chúng. Để mô tả đặc trưng một quỹ đạo, các nhà thiên văn tin rằng cần phải quan sát 50% quỹ đạo của ngôi sao. Với chỉ mới có S0-2 vượt qua ngưỡng này, một số người hoài nghi cho rằng chẳng biết có tồn tại cái lỗ đen trung tâm đó hay không.
Hình này thể hiện giây cung trung tâm của thiên hà chúng ta, nơi người ta tin là có chứa một lỗ đen siêu khối. Các elip màu đỏ và màu vàng tương ứng là quỹ đạo của S0-2 và S0-102. Các elip mờ vào phông nền tương ứng với những ngôi sao khác được cho là quay gần lỗ đen. (Ảnh: Andrea Ghez)
Dụng cụ quang thích nghi tốt hơn
Các nhà thiên văn thuộc nhóm của Andrea Ghez tại trường Đại học California, Los Angeles, vừa công bố phát hiện ra một ngôi sao mới đặt tên là S0-102. “Chu kì quỹ đạo của ngôi sao này chỉ có 11,5 năm – ngắn nhất trong số bất kì ngôi sao nào được biết đang quay xung quanh lỗ đen trên,” Ghez nói. “Các cải tiến dụng cụ quang thích nghi đã cho phép chúng tôi tìm thấy những ngôi sao mờ hơn và đo chúng chính xác hơn,” bà nói. Với cơ sở quang học thích nghi, cái gương của kính thiên văn không phải là một mặt trơn nữa, mà nó là một mặt ngói ghép từ những cái gương nhỏ hơn. Một laser dẫn hướng được chiếu lên bầu trời phía trên kính thiên văn và sự biến dạng của chùm laser do nhiễu loạn khí quyển được đo lại. Hình dạng của cái gương khi đó có thể sửa lại bằng cách di chuyển từng gương nhỏ để bù cho sự méo mó do khí quyển.
Kĩ thuật này cũng sẽ cho phép các quan sát tương lai của S0-102 tại điểm xa lỗ đen nhất (apoapsis) của nó. “Kĩ thuật này sẽ giam sai số của chúng tôi ở các tham số như khối lượng của lỗ đen,” Ghez nói. Việc có một ngôi sao thứ hai để quan sát cũng sẽ cho phép các nhà thiên văn cải thiện kiến thức của họ về quỹ đạo của S0-2. Đặc biệt, nó sẽ giúp mang lại một phép đo chính xác hơn của điểm gần lỗ đen nhất (periapsis) của S0-2 vào năm 2018. Lúc ở gần lỗ đen nhất, ngôi sao chịu một lực hấp dẫn mạnh hơn, gây ra một sự lệch đỏ bổ sung ở ánh sáng của nó. Lượng lệch đỏ chính xác đó được tiên đoán bởi thuyết tương đối rộng Einstein. Thí nghiệm có thể được lặp lại khi S0-102 đi tới điểm gần lỗ đen nhất của nó vào năm 2021.
Thuyết tương đối rộng cũng dự đoán sự tiến động của điểm gần lỗ đen nhất của một ngôi sao. “Thực tế không gian bị uốn cong bởi trường hấp dẫn của lỗ đen có nghĩa là các quỹ đạo đi quá một chút mỗi lần. Điểm gần lỗ đen nhất di chuyển theo hướng ngôi sao đang quay,” Ghez giải thích. Trường hợp này tương tự với sự tiến động của quỹ đạo Thủy tinh trong hệ mặt trời của chúng ta – một câu đố, khi được Einstein giải thích vào năm 1915, đã mang lại sự xác nhận ban đầu của những quan điểm của ông.
Tham số chưa biết
Tuy nhiên, phép kiểm tra đặc biệt này của thuyết tương đối không thể thực hiện với một ngôi sao đơn lẻ. “Tình huống không đơn giản như hai ngôi sao quay xung quanh một lỗ đen,” Ghez nói. “Có khả năng còn có những vật thể khác đang quay xung quanh nữa, ví dụ như những lỗ đen khối lượng sao và sao neutron.” Điều này có nghĩa là các ngôi sao đang quay đó không thấy một sự phân bố khối lượng đối xứng khi chúng đi qua khu vực đông đúc này. Nếu thuyết tương đối được đưa vào kiểm tra, thì nó phải được xem là một tham số chưa biết. Nếu sự phân bố khối lượng là cũng chưa biết, thì bạn cần có hai ngôi sao để giải các phương trình. “Với những tiến bộ trong tương lai về quang học thích nghi, và thế hệ kính thiên văn tiếp theo, chúng ta sẽ có thể thấy thuyết tương đối Einstein có trụ vững trong môi trường hấp dẫn cực độ này hay không,” Ghez nói.
Nils Anderson, trưởng Nhóm Thuyết tương đối Rộng tại trường Đại học Southampton, Anh quốc, hoan ngênh kết quả nghiên cứu trên, nhưng ông tin rằng còn có những phép kiểm tra mạnh hơn nữa của thuyết tương đối rộng. “Tôi nghĩ phép kiểm tra tốt nhất ngoài hệ mặt trời vẫn là hai pulsar đang quay xung quanh nhau. Loại hệ như thế đặt ràng buộc nhiều hơn với lí thuyết của Einstein,” ông nói.
Tham khảo: http://dx.doi.org/10.1126/science.1225506
Trần Nghiêm (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
