ALMA thăm dò các tia bí ẩn phát ra từ những lỗ đen khổng lồ

Hai đội ngũ quốc tế các nhà thiên văn đã sử dụng tổ hợp kính thiên văn vô tuyến ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) để tập trung khảo sát các tia phát ra từ những lỗ đen khổng lồ ở trung tâm các thiên hà, quan sát ảnh hưởng của chúng đến môi trường xung quanh. Họ đã có những hình ảnh tốt nhất chụp được đám khí xung quanh một lỗ đen yên tĩnh của một thiên hà ở gần, và bất ngờ gặp được những tia phát xạ rất mạnh từ một lỗ đen của một thiên hà ở rất xa.

Đó là các lỗ đen siêu lớn - có khối lượng lên tới vài tỷ khối lượng mặt trời - tại tâm của hầu hết các thiên hà trong vũ trụ, bao gồm cả thiên hà của chúng ta, dải Ngân hà. Trong quá khứ xa xôi, các vật thể kỳ lạ này rất hoạt động, nuốt chửng một lượng vật chất khổng lồ từ môi trường xung quanh, tỏa sáng chói lọi, và nhả ra một phần nhỏ vật chất thông qua những tia cực mạnh. Trong vũ trụ hiện nay, phần lớn những lỗ đen siêu lớn ít hoạt động hơn nhiều so với lúc ban đầu, nhưng ảnh hưởng của các tia này với môi trường xung quanh vẫn còn định hình sự tiến hóa của các thiên hà. Hai nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Astronomy & Astrophysics (Thiên Văn & Vật Lý Thiên Văn), đều sử dụng ALMA để thăm dò ở các khoảng cách rất khác nhau: một lỗ đen tương đối yên tĩnh trong thiên hà NGC 1433 ở gần chúng ta, và một lỗ đen rất xa và hoạt động có tên PKS 1830-211.

NGC 1433

Thiên hà NGC 1433 (hình nền do kính thiên văn không gian Hubble, góc trên bên phải là phần trung tâm do ALMA chụp)
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. Combes

Françoise Combes (Đài thiên văn Paris, Pháp), tác giả chính của bài báo thứ nhất nói: "ALMA đã tiết lộ một cấu trúc xoắn ốc đáng ngạc nhiên trong các đám khí gần trung tâm của NGC 1433, nó giải thích các vật liệu chảy vào lỗ đen như thế nào. Với những quan sát mới sắc nét từ ALMA, chúng tôi đã phát hiện ra một tia vật liệu chảy ra từ lỗ đen, chỉ dài khoảng 150 năm ánh sáng. Đây là dòng chảy phân tử nhỏ nhất từ trước đến nay được quan sát trong một thiên hà bên ngoài." Việc phát hiện ra dòng chảy này, được kéo theo bởi các tia từ lỗ đen trung tâm, cho thấy những tia như vậy có thể ngăn chặn sự hình thành sao và điều tiết sự phát triển chỗ phồng lên ở trung tâm các thiên hà. (1)

PKS 1830-211

PKS 1830-211 (đốm đỏ trong hình).
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/I. Martí-Vidal

Trong PKS 1830-211, Ivan Martí-Vidal (Đài thiên văn Onsala, Thụy Điển) và nhóm của ông cũng quan sát thấy một lỗ đen siêu lớn với một tia, nhưng sáng hơn nhiều và hoạt động hơn trong vũ trụ sơ khai. (2) Nó bất thường vì ánh sáng rực rỡ của nó trên đường tới trái đất đã đi qua một thiên hà lớn và được chia thành hai hình bởi hiệu ứng thấu kính hấp dẫn. (3) Theo thời gian, lỗ đen siêu lớn đột nhiên nuốt vào một lượng khổng lồ vật chất (4), làm tăng sức mạnh của các tia và đẩy bức xạ lên đến mức có năng lượng cao nhất. Và bây giờ ALMA đã may mắn bắt gặp một trong những hiện tượng này xảy ra trong PKS 1830-211.

Sebastien Muller, một đồng tác giả của bài báo thứ hai nói: "Các quan sát của ALMA trong trường hợp hố đen bị 'bội thực' này là hoàn toàn tình cờ. Chúng tôi đang quan sát PKS 1830-211 cho một mục đích khác, nhưng sau đó chúng tôi lại phát hiện những thay đổi màu sắc và cường độ một cách tinh tế trong những hình chụp của nó qua thấu kính hấp dẫn. Một cái nhìn rất thận trọng về hiện tượng bất ngờ này đã khiến chúng tôi đi đến một kết luận là chúng tôi đã rất may mắn quan sát được ngay tại thời điểm khi vật chất mới bắt đầu xâm nhập vào tia của lỗ đen."

Nhóm nghiên cứu cũng xem xét liệu hiện tượng dữ dội này đã được phát hiện hay chưa qua các kính thiên văn khác (như Fermi, kính viễn vọng không gian tia gamma của NASA), và đã gây ngạc nhiên khi tìm thấy một dấu hiệu rất rõ ràng trong những tia gamma. Quá trình gây ra sự gia tăng bức xạ ở các bước sóng dài (mà ALMA quan sát được) cũng chịu trách nhiệm thúc đẩy đột ngột ánh sáng trong các tia lên đến các nguồn năng lượng cao nhất trong vũ trụ. (5) Sebastien Muller cho biết thêm: "Đây là lần đầu tiên một liên kết rõ ràng giữa các tia gamma và sóng vô tuyến dưới milimet đã được thiết lập từ các chứng cứ thực trên các tia của một lỗ đen."

Hai quan sát mới chỉ là sự bắt đầu việc nghiên cứu của ALMA vào các hoạt động của các tia phát ra từ các lỗ đen siêu lớn, gần và xa. Với ALMA, đội của Combes đã sẵn sàng nghiên cứu các thiên hà hoạt động khác ở gần, nhưng đối tượng độc đáo PKS 1830-211 dự kiến sẽ là trọng tâm của nhiều nghiên cứu trong tương lai của ALMA và các kính thiên văn khác. Ivan Martí-Vidal kết luận: "Hiện vẫn còn rất nhiều điều để học hỏi làm cách nào mà các lỗ đen có thể tạo ra những chùm tia vật chất và bức xạ có năng lượng khổng lồ. Nhưng với những kết quả mới mà chúng ta thu được, ngay cả trước khi tổ hợp ALMA được lắp đặt hoàn chỉnh, cho thấy nó là một công cụ độc đáo để nghiên cứu các tia này - và những khám phá mới chỉ bắt đầu!"

Ghi chú

(1) Quá trình này, được gọi là sự hoàn ngược, có thể giải thích mối quan hệ bí ẩn giữa khối lượng của một lỗ đen ở trung tâm một thiên hà với khối lượng của phần lồi ra xung quanh. Lỗ đen bồi tụ khí và phát triển tích cực hơn, nhưng sau đó phóng ra các tia dọn sạch khí ở khu vực xung quanh và ngăn chặn sự hình thành sao.

NGC 4565

Thiên hà NGC 4565 (phần lồi ở trung tâm)
Credit: Bruce Hugo and Leslie Gaul/Adam Block/NOAO/AURA/NSF

(2) PKS 1830-211 có độ lệch đỏ 2,5, có nghĩa ánh sáng của nó đã mất khoảng 11 tỷ năm mới đến được chúng ta và được nó phát ra khi vũ trụ chỉ có tuổi bằng 20% tuổi hiện tại của nó. So sánh ánh sáng từ NGC 1433 chỉ mất khoảng 30 triệu năm để tới được Trái Đất, một thời gian rất ngắn trong bậc thang về thiên hà.

(3) Lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein dự đoán rằng các tia sáng sẽ bị lệch khi chúng vượt qua một vật thể lớn như một thiên hà. Hiệu ứng này được gọi là thấu kính hấp dẫn và, kể từ khi lần đầu tiên tìm thấy nó năm 1979, nhiều thấu kính hấp dẫn như vậy đã được phát hiện. Các thấu kính có thể tạo ra nhiều hình ảnh cũng như bóp méo và phóng đại các nguồn ánh sáng nền.

(4) Đây có thể là một ngôi sao hay một đám mây phân tử.

may phan tu