Gái gọi hải phòng mang những giấc mơ mới

Các lỗ đen từ lâu gái gọi hải phòng đã trở thành yếu tố quan trọng của khoa học viễn tưởng, là những con quái vật khổng lồ với lực hút không cho ánh sáng thoát ra ngoài.

Không chỉ là thiết bị cốt truyện hữu ích, cung cấp cơ chế du hành đến các vũ trụ thay thế, đồng thời chứa đựng những sinh vật hủy diệt, các nhà khoa học đã nhận ra rằng lỗ đen đóng một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của vũ trụ.

Trong vài thập kỷ qua, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng các lỗ đen siêu lớn, với khối lượng hàng triệu đến hàng tỷ lần so với mặt trời của chúng ta, ẩn náu ở trung tâm của hầu hết các thiên hà, bao gồm cả Dải Ngân hà của chúng ta – và thiên hà càng lớn thì càng lớn cái hố đen.

Các nhà thiên văn học trong tuần này đã thông báo về việc phát hiện ra các lỗ đen lớn nhất mà chúng ta biết, cách Trái đất khoảng 320 triệu năm ánh sáng, với khối lượng lớn hơn khoảng 10 tỷ lần so với khối lượng của mặt trời. Vị trí của chúng, trong lòng các thiên hà khổng lồ tương đối gần đó, cho thấy sự phát triển của các lỗ đen như vậy đã ngầm gắn liền với sự phát triển của thiên hà mà chúng cư trú, cho thấy có sự tác động lẫn nhau phức tạp theo thời gian vũ trụ.

Ấn tượng của nghệ sĩ về môi trường sao xung quanh một lỗ đen có khối lượng khoảng 10 tỷ lần mặt trời. Đài quan sát Gemini / AURA / Lynette Cook
Sửa lổ
Trước khi chúng ta đi xa hơn và khái niệm cơ bản về lỗ đen được đặt ra trong câu hỏi, điều quan trọng là phải hiểu những từ “lỗ đen” thực sự có nghĩa là gì. Einstein công bố mô tả mới của mình về lực hấp dẫn, thuyết tương đối rộng, vào năm 1915, cho rằng toán học liên quan quá phức tạp để có thể giải được.

Nhưng một năm sau, nhà thiên văn học và vật lý học người Đức Karl Schwarzschild, người đang phục vụ ở Mặt trận phía Đông trong Thế chiến thứ nhất, đã có thể tính toán trường hấp dẫn của một quả cầu khối lượng bằng cách sử dụng các phương trình của Einstein.

Toán học của ông cho thấy lực hấp dẫn ở xa khối lượng khớp với dự đoán của Newton, nhưng khi bạn đến gần hơn, lực hấp dẫn ảnh hưởng đến không gian và thời gian, và mọi thứ trở nên hơi kỳ lạ. Nếu khối lượng bị ép trong một bán kính đặc biệt, được gọi là chân trời sự kiện, thì khối lượng sẽ sụp đổ đến một điểm, và không có gì chúng ta biết trong khoa học có thể ngăn cản nó.

Khối lượng bị khóa trong một điểm kỳ dị (mặc dù nó gần như là thần thoại trong khoa học phổ thông, không có gì khác ngoài một dấu hiệu cho thấy thuyết tương đối rộng đã bị phá vỡ), ẩn trong chân trời sự kiện, từ đó khối lượng và gái gọi hải phòng ánh sáng không thể thoát ra.

Ngay cả đối với một lỗ đen có khối lượng gấp một tỷ lần mặt trời của chúng ta, thì đường chân trời sự kiện cũng nhỏ, chỉ bằng một vài lần kích thước của hệ mặt trời. Mặc dù điều này nghe có vẻ lớn, với ánh sáng mất khoảng một năm để vượt qua khoảng cách, nó rất nhỏ so với toàn bộ phạm vi của thiên hà, với ánh sáng mất hơn 100.000 năm để truyền từ bên này sang bên kia.

Nhỏ bé nhưng hùng mạnh
Kích thước này quá nhỏ để một nhà thiên văn có thể nhìn thấy, và không có gì phát ra từ chân trời sự kiện, có vẻ như chúng là vật thể không thể phát hiện được. Tuy nhiên, những gì mà các nhà thiên văn có thể nhìn thấy là ảnh hưởng của các ngôi sao quay xung quanh vùng lân cận của một lỗ đen siêu lớn. Từ việc quan sát tốc độ khổng lồ của chúng (hàng nghìn km một giây), họ có thể tính toán khối lượng trong lỗ.

Vì vậy, khi các nhà thiên văn học nói rằng họ đã nhìn thấy một lỗ đen, ý họ là họ đã “đo được một khối lượng khổng lồ, từ vận tốc của các ngôi sao, và khối lượng này tập trung ở một thể tích nhỏ, và những vật thể duy nhất mà chúng ta biết đến trong khoa học hiện đại sẽ có những đặc tính kỳ lạ như vậy là những lỗ đen của thuyết tương đối của Einstein ”. Tôi nghĩ rằng bạn sẽ đồng ý rằng điều đó không quá đáng.

Kích thước siêu tôi
Nhưng để khám phá trong tay. Được công bố tuần này trên tạp chí Nature, nghiên cứu sinh Nicholas J. McConnell và các đồng nghiệp báo cáo việc phát hiện ra hai lỗ đen siêu lớn mới, trong các thiên hà chỉ cách chúng ta vài trăm triệu năm ánh sáng.

Ở khoảng cách này, chúng ta không thể nhìn thấy các ngôi sao riêng lẻ trong các thiên hà, nhưng sử dụng một kỹ thuật mới, được gọi là quang phổ trường tích phân, chúng có thể đo ánh sáng từ các mảng sao khác nhau gần trung tâm thiên hà.

Mỗi ngôi sao trong bản vá sẽ bị dịch chuyển Doppler, do tốc độ cực lớn của chúng, và bằng cách nhìn vào các dạng hấp thụ trong quang phổ, chúng có thể tính toán được điều này và khối lượng trung tâm. Kết quả là mỗi thiên hà chứa đựng một lỗ đen với khối lượng xấp xỉ 10 tỷ lần khối lượng Mặt Trời.

Các lỗ đen nằm ở trung tâm của hai thiên hà. Hệ gái gọi hải phòng mặt trời của chúng ta sẽ bị thu hẹp lại bởi các lỗ. P. Marenfeld / NOAO / AURA / NSF
Chúng ta có nên ngạc nhiên không? Câu trả lời là “không thực sự”. Như tôi đã gợi ý ở phần đầu, mọi thiên hà lớn mà chúng ta nhìn thấy đều có những lỗ đen siêu lớn, và thiên hà càng lớn thì lỗ càng lớn. Mối quan hệ M-sigma, hay Magorrian, đã được biết đến trong hơn một thập kỷ và khi các quan sát được cải thiện, chúng ta càng có thể quan sát những thiên hà xa hơn (và lớn hơn).

Thời gian lặp đi lặp lại, khối lượng của lỗ đen siêu lớn có liên quan chặt chẽ đến khối lượng của các thiên hà mà chúng cư trú (mặc dù hai

những cái mới nặng hơn một chút so với dự kiến).

Và điều đó để lại cho chúng tôi một vấn đề. Các lỗ đen siêu khối lượng nhỏ, trong khi các thiên hà lớn. Quá trình thúc đẩy cái này ảnh hưởng đến cái kia như thế nào? Câu trả lời là chúng tôi không thực sự biết, nhưng chúng tôi có một số ý tưởng hay, điều quan trọng là phản hồi.

Các thiên hà được hình thành khi khí sụp đổ, đầu tiên là trên quy mô thiên hà, cung cấp khí cho lỗ đen đang hình thành, và sau đó thông qua một loạt các mảnh vỡ khí thành hàng tỷ ngôi sao. Tuy nhiên, khi bạn nạp khí vào lỗ đen, nó không nuốt chửng nó trong một lần mà nuốt chửng nó như một người nếm rượu có kinh nghiệm.

Khí này, sắp bị tiêu hao, sẽ rất nóng và đẩy ra rất nhiều khí còn lại trong thiên hà, ngăn chặn hiệu quả sự hình thành của nhiều ngôi sao hơn.

Đây là một bức tranh đẹp, nhưng quá trình hình thành và tiến hóa thiên hà là một chuyện khá bạo lực, với một loạt các vụ hợp nhất lớn giữa các thiên hà trẻ sơ sinh và liên tục nạp khí và vật chất tối theo thời gian vũ trụ. Liệu chúng ta có thể duy trì mối tương quan chặt chẽ này giữa các thiên hà và khối lượng lỗ đen của chúng trong một bức tranh như vậy không?

Chúng tôi vẫn đang cố gắng giải quyết vấn đề đó, nhưng rõ ràng, những con quái vật ở trung tâm của các thiên hà có rất nhiều ảnh hưởng đến sự phát triển của vật chủ của chúng.