Phát hiện mắt xích còn thiếu mạnh nhất trong vật lý lỗ đen

Chúng ta đã biết về các lỗ đen khối lượng sao và siêu khối lượng, nhưng các lỗ đen khối lượng trung gian từ lâu vẫn rất khó phát hiện. Cho đến nay.

Khắp vũ trụ, các lỗ đen tồn tại với số lượng lớn và khối lượng ấn tượng. Một mặt, chúng ta biết rằng lỗ đen được hình thành từ tàn dư của các ngôi sao, có thể quan sát được qua các hệ sao đôi phát ra tia X, hoặc phát hiện thông qua sóng hấp dẫn từ sự va chạm và hợp nhất của chúng. Hiện nay, đã có hơn 100 lỗ đen được xác định, với khối lượng từ khoảng 3 đến 200 lần khối lượng Mặt Trời.

Mặt khác, có các lỗ đen siêu khối lượng, chủ yếu nằm ở trung tâm các thiên hà, với khối lượng từ hàng trăm nghìn đến hàng chục tỷ lần khối lượng Mặt Trời.

Tuy nhiên, một quần thể trung gian của các lỗ đen khối lượng trung gian đã được giả định từ lâu, nhưng việc phát hiện trực tiếp chúng vô cùng khó khăn. Một trong những địa điểm tiềm năng nhất để tìm kiếm chúng là gần trung tâm của các cụm sao cầu – những tập hợp dày đặc chứa từ hàng trăm nghìn đến vài triệu ngôi sao, gắn kết với nhau trong một thể tích chỉ vài chục năm ánh sáng. Các cụm sao cầu này rất phổ biến trong vũ trụ gần chúng ta, với hơn 100 cụm được mắt xích với Dải Ngân Hà và hơn 1000 cụm trong Nhóm Địa Phương.

Trong một nghiên cứu mang tính đột phá, các nhà thiên văn vừa công bố bằng chứng vững chắc về một lỗ đen nằm ở trung tâm cụm sao cầu Omega Centauri, với khối lượng ít nhất 8200 lần khối lượng Mặt Trời. Đây là bằng chứng mạnh mẽ nhất từ trước đến nay về sự tồn tại của lỗ đen khối lượng trung gian và có thể mở ra cơ hội tìm kiếm các thiên thể này trên khắp vũ trụ.

Cơ chế hình thành lỗ đen

Giống như nhiều cụm sao cầu khác trong Dải Ngân Hà, NGC 6397 ở khoảng cách đủ gần để các đài quan sát tốt nhất của chúng ta có thể phân giải từng ngôi sao bên trong nó, ngay cả ở các khu vực trung tâm. Nếu lỗ đen khối lượng trung gian thực sự tồn tại trong các cụm sao cầu này, thì những cụm gần nhất sẽ là ứng cử viên lý tưởng để phát hiện chúng.

Vũ trụ chỉ có một vài con đường có thể dẫn đến sự hình thành lỗ đen. Cơ chế phổ biến nhất được cho là xuất phát từ các ngôi sao khối lượng lớn khi chúng đi đến giai đoạn cuối của vòng đời. Khi một ngôi sao hợp hạch các nguyên tố nhẹ thành các nguyên tố nặng hơn, nó giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ trong lõi của mình, và chính áp lực bức xạ này giúp giữ cho ngôi sao không bị sụp đổ dưới tác động của lực hấp dẫn.

Khi nguồn nguyên tố cần thiết để duy trì phản ứng hạt nhân sắp cạn kiệt, áp lực bức xạ giảm xuống, khiến lõi ngôi sao co lại và nóng lên. Nếu nhiệt độ mới đủ cao để kích hoạt quá trình hợp hạch với các nguyên tố nặng hơn tiếp theo, chu kỳ sống của ngôi sao tiếp tục. Nếu không, lõi trung tâm có thể sụp đổ thành một sao neutron hoặc một lỗ đen, tùy thuộc vào khối lượng của nó.

Có một số con đường chính có thể dẫn đến sự hình thành lỗ đen:

– Một số ngôi sao chết đi bằng cách phát nổ dưới dạng siêu tân tinh lõi sụp đổ, để lại phần lõi là tàn dư lỗ đen.

– Một số ngôi sao có thể sụp đổ trực tiếp, biến toàn bộ khối lượng ban đầu thành lỗ đen mà không trải qua giai đoạn siêu tân tinh.

– Các dòng khí lạnh hội tụ có thể tạo ra những lỗ đen có khối lượng lớn hơn nữa, có thể đạt vài nghìn hoặc hàng chục nghìn lần khối lượng Mặt Trời, đặc biệt là trong vũ trụ sơ khai.

– Hai sao neutron đủ nặng có thể hợp nhất với nhau, tạo ra một lỗ đen sau khi va chạm.

Tất cả các cơ chế này đều được cho là có thể tạo ra lỗ đen trong vũ trụ.

Sự tiến hóa của lỗ đen theo thời gian

Các bức ảnh trong vùng khả kiến, cận hồng ngoại của Hubble cho thấy một ngôi sao có khối lượng ít nhất gấp 25 lần Mặt Trời đã biến mất mà không có siêu tân tinh hay dấu hiệu nào khác. Hiện tượng sụp đổ trực tiếp là lời giải thích hợp lý duy nhất, và đây là một trong những cách hình thành lỗ đen bên cạnh siêu tân tinh hoặc sự hợp nhất sao neutron. Việc sụp đổ trực tiếp của thiên thể này, dù vẫn đang được nghiên cứu, có thể đã bị kích hoạt bởi một ngôi sao đồng hành.

Hơn nữa, theo thời gian, các lỗ đen không chỉ giữ nguyên các đặc điểm ban đầu khi chúng được hình thành; chúng có thể tương tác, hợp nhất và nuốt chửng vật chất rơi vào, khiến khối lượng tăng lên. Phần lớn các lỗ đen mà chúng ta biết đến hiện nay được phát hiện thông qua hai cách:

– Sự hợp nhất của hai lỗ đen nhỏ hơn, tạo ra một lỗ đen có khối lượng lớn hơn sau va chạm.

– Một lỗ đen đang hấp thụ vật chất, dù là từ một nguồn tạm thời (chẳng hạn như nuốt chửng một đám mây khí hoặc một ngôi sao) hay một nguồn liên tục (như hút vật chất từ một sao đồng hành trong hệ nhị phân).

Nói cách khác, hầu hết các lỗ đen mà chúng ta thực sự tìm thấy là những lỗ đen đang trong quá trình phát triển và gia tăng khối lượng.

Tại trung tâm các thiên hà, chúng ta ngày càng nhận thấy sự hiện diện của các lỗ đen siêu khối lượng. Những quan sát từ các kính thiên văn như JWST, Chandra, Hubble và ALMA cho thấy rằng trong vũ trụ sơ khai, các lỗ đen siêu khối lượng có khối lượng gần bằng tổng khối lượng tất cả các ngôi sao trong thiên hà chứa chúng. Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại, chúng chỉ nặng khoảng 0,1% tổng khối lượng sao của một thiên hà.

Điều này mở ra một hướng nghiên cứu thú vị về các lỗ đen có khối lượng trung gian – những lỗ đen có khối lượng lớn hơn lỗ đen từ sự sụp đổ của một ngôi sao đơn lẻ nhưng nhỏ hơn các lỗ đen siêu khối lượng khổng lồ. Chúng có thể ẩn náu ở hai nơi chính: trung tâm của các thiên hà nhỏ có khối lượng thấp hoặc sâu bên trong lõi trung tâm của các cụm sao cầu.

Những phát hiện mới về lỗ đen khối lượng trung gian như Omega Centauri không chỉ giúp xác nhận sự tồn tại của loại lỗ đen này mà còn giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa và tăng trưởng của các lỗ đen trong suốt lịch sử vũ trụ.

Khí bị tước khỏi một thiên hà sẽ bị kéo dài thành một sợi dài, mỏng, sau đó co lại dưới lực hấp dẫn của chính nó để hình thành các ngôi sao. Bản thân thiên hà này có kích thước tương đương với Dải Ngân Hà, nhưng dòng vật chất thủy triều của nó dài khoảng 280.000 năm ánh sáng – lớn hơn hơn hai lần so với kích thước ước tính của Dải Ngân Hà. Khi các thiên hà nhỏ trải qua sự gián đoạn thủy triều do các láng giềng lớn hơn của chúng, lõi của chúng có thể tồn tại dưới dạng các cụm sao cầu.

Tìm kiếm lỗ đen khối lượng trung gian trong cụm sao cầu

Phương án sau, tìm kiếm lỗ đen khối lượng trung gian bên trong các cụm sao cầu, đã là chủ đề của nhiều cuộc nghiên cứu trong những thập kỷ gần đây của các nhà thiên văn học. Các cụm sao cầu có nhiều lợi thế trong nhiệm vụ này:

– Chúng có khối lượng vừa phải, dao động từ khoảng 10^5 đến 10^7 lần khối lượng Mặt Trời, cho thấy khả năng tồn tại của các lỗ đen có khối lượng khoảng hàng nghìn lần khối lượng Mặt Trời.

– Các cụm sao cầu có mật độ rất cao, với tất cả các ngôi sao của chúng nằm trong phạm vi chỉ vài chục năm ánh sáng.

– Chúng có tuổi đời rất cao, nghĩa là chúng đã tồn tại trong hàng tỷ năm. Nhiều cụm sao cầu được biết đến có quần thể sao chủ yếu có tuổi khoảng 12 tỷ năm hoặc hơn.

– Các cụm sao cầu phổ biến và gần gũi, với hơn 100 cụm được gắn kết với Dải Ngân Hà và nằm cách chúng ta chỉ vài nghìn đến vài chục nghìn năm ánh sáng.

– Các cụm sao cầu còn có một tính chất gọi là phân tầng khối lượng, một hiện tượng xảy ra trong các hệ thống bị ràng buộc hấp dẫn theo thời gian. Trong những khoảng thời gian đủ dài, các vật thể có khối lượng lớn nhất chìm xuống trung tâm, để lại các vật thể nhẹ hơn ở vùng ngoài cùng.

Tất cả những yếu tố trên tạo thành một cơ sở lý thuyết vững chắc để tìm kiếm các lỗ đen khối lượng trung gian, đặc biệt là trong các trung tâm của cụm sao cầu.

Tại trung tâm của Omega Centauri, một trong những cụm sao cầu lớn nhất và giàu nhất có thể quan sát được từ vị trí của Trái Đất trong Dải Ngân Hà, có rất nhiều ngôi sao với nhiều màu sắc khác nhau đã được ghi lại. Do môi trường có mật độ dày đặc, các tương tác hấp dẫn giữa các ngôi sao và hệ sao thường xuyên xảy ra, dẫn đến hiện tượng trục xuất, bắt giữ hấp dẫn, và đôi khi, các sao có khối lượng thấp (hoặc thậm chí là sao thất bại) bị kéo vào quỹ đạo chặt với các pulsar mili-giây.

Cho đến tháng 6 năm 2024, chỉ có bằng chứng gián tiếp và chưa kết luận về sự tồn tại của một lỗ đen khối lượng trung gian trong cụm này. Tuy nhiên, một cặp nghiên cứu mới vào tháng 7 năm 2024 có thể sẽ thay đổi điều đó.

Các cuộc tìm kiếm đã được tiến hành bằng cách sử dụng các pulsar mili-giây làm công cụ, vì quần thể các pulsar này, vốn hoạt động như những chiếc đồng hồ cực kỳ chính xác, có thể trải qua các cú giật và thay đổi gia tốc (đạo hàm bậc nhất và bậc hai của gia tốc) trong quá trình đo thời gian. Các mô phỏng dự đoán rằng lỗ đen khối lượng trung gian thực sự có thể hình thành trong các cụm sao cầu, với khối lượng lớn hơn 100 lần khối lượng Mặt Trời nhưng nhỏ hơn 100.000 lần khối lượng Mặt Trời.

Với một công cụ đề xuất nhưng chưa được xây dựng như Very Large Array thế hệ tiếp theo (ngVLA), các nhà khoa học có thể phát hiện lỗ đen khối lượng trung gian trong các cụm sao cầu xung quanh các thiên hà nằm cách xa tới ~80 triệu năm ánh sáng. Trong khi đó, cụm sao cầu Messier 62 và Messier 22 đã được xác định có chứa lỗ đen, nhưng chúng chỉ thuộc loại lỗ đen khối lượng sao, thay vì lỗ đen khối lượng trung gian.

Messier 54 và bằng chứng đầu tiên về lỗ đen trung gian

Tuy nhiên, một cụm sao cầu nằm ở vùng ngoài của Dải Ngân Hà và bị ràng buộc hấp dẫn với thiên hà lùn Sagittarius, Messier 54, đã cung cấp chỉ dấu đầu tiên về một lỗ đen khối lượng trung gian nằm ở trung tâm một cụm sao cầu. Khi quan sát chuyển động của nhiều ngôi sao gần lõi của cụm sao này, các nhà thiên văn học kết luận rằng có một xác suất cao tồn tại một lỗ đen khoảng 9400 lần khối lượng Mặt Trời – gợi ý rằng những lỗ đen mắt xích bị mất này thực sự tồn tại.

Tuy nhiên, cũng giống như các ứng cử viên lỗ đen khối lượng trung gian khác như:

– HLX1 gần thiên hà ESO 243 – 49,

– một sự kiện gián đoạn thủy triều tiềm năng, nơi một lỗ đen khối lượng trung gian có thể đã xé toạc một ngôi sao,

– trung tâm của cụm sao cầu B023 – G078 quanh thiên hà Andromeda,

– các phép đo chuyển động sao tại trung tâm Omega Centauri,

– hoặc bên trong Messier 4,

tất cả bằng chứng đều vẫn chưa đủ chắc chắn. Hiện tại vẫn thiếu bằng chứng xác định có thể loại bỏ hoàn toàn các lời giải thích thay thế.

Bên trong cụm sao cầu Omega Centauri – cụm sao cầu lớn nhất được biết đến trong Dải Ngân Hà – có khoảng 10 triệu ngôi sao nằm trong một không gian với đường kính chỉ khoảng 150 năm ánh sáng. Nhiều pulsar mili-giây có thể được tìm thấy ở đây, và những pulsar có bạn đồng hành là sao lùn đỏ hoặc sao lùn nâu đang tích cực nuốt chửng những ngôi sao đang dần bị hủy diệt này.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn học đã tự hỏi liệu có một lỗ đen khối lượng trung gian tại lõi của cụm sao này hay không, nhưng việc thiếu một nguồn phát tia X đi kèm đã khiến cho việc xác định điều này trở nên khó khăn.

Omega Centauri – Cổ cụm sao cầu đầu tiên chứa lỗ đen trung gian

Tuy nhiên, hai nghiên cứu mới được công bố vào ngày 10 tháng 7 năm 2024 cuối cùng đã cung cấp bằng chứng cần thiết để tuyên bố đã phát hiện! về lỗ đen khối lượng trung gian.

Vật thể chính trong nghiên cứu này chính là cổ cụm sao cầu Omega Centauri – cổ cụm sao cầu lớn nhất được biết đến trong Ngân Hà và từ lâu đã bị nghi ngờ là chứa lỗ đen khối lượng trung gian. Nó nằm cách chúng ta chỉ 17.000 năm ánh sáng, với những thông số quan trọng sau:

– Bán kính xấp xỉ 75 năm ánh sáng.

– Khối lượng tổng của khoảng 4 triệu lần Mặt Trời.

– Chứa xấp xỉ 10 triệu ngôi sao.

Khác với hầu hết các cổ cụm sao cầu khác được cho là hình thành từ một đợt hình thành sao lớn từ một đám mây khổng lồ có khối lượng lớn hơn rất nhiều so với các cụm sao mở, Omega Centauri dường như đi theo một con đường khác biệt: đó chính là tàn dư của lõi một dê dàng bị phá hủy của một dê lùn đã bị Ngân Hà nuốt chửng từ rất lâu. Sự khan hiếm các nguyên tố kim loại nặng, chuyển động qua Ngân Hà, và tuổi trẻ (chỉ 11,5 tỷ năm, đối với một cổ cụm sao cầu) đã cung cấp chứng cố hỗ trợ cho giả thuyết này.

Vị trí của các ngôi sao chuyển động nhanh được xác định trong nghiên cứu mới nhất về trung tâm cụm sao cầu Omega Centauri, cùng với một bảng phóng to ở bên phải hiển thị đặc điểm của bảy ngôi sao siêu vận tốc gần nhất với khu vực trung tâm. Đây là bằng chứng cực kỳ mạnh mẽ cho sự tồn tại của một lỗ đen khối lượng trung gian – một khám phá mang tính bước ngoặt trong thiên văn học.

Những hình ảnh giúp phát hiện ra lỗ đen

Điều đáng chú ý về nhiều hình ảnh được sử dụng để tái tạo chuyển động của các ngôi sao này là chúng không được chụp với mục tiêu khoa học cụ thể nào. Chúng chủ yếu được thực hiện để phục vụ việc hiệu chỉnh thiết bị của Kính viễn vọng Không gian Hubble. Tuy nhiên, giống như nhiều hình ảnh đầu tiên của JWST – vốn chủ yếu dùng để hiệu chỉnh – đã mang lại một khối lượng khoa học khổng lồ, các quan sát này đã giúp các nhà thiên văn theo dõi vô số ngôi sao trong khoảng thời gian rất dài. Với độ phân giải đáng kinh ngạc của Hubble, đặc biệt là ở bước sóng ngắn, ngay cả các trường sao dày đặc của Omega Centauri cũng có thể được phân giải thành từng đối tượng riêng lẻ.

Việc phát hiện nhiều ngôi sao siêu vận tốc cho thấy chúng không chỉ đơn thuần đang trải qua một tương tác hấp dẫn thoáng qua với một ngôi sao đồng hành hay một thiên thể gần đó. Thay vào đó, phải có một khối lượng tập trung gần đó mà các ngôi sao này có khả năng bị ràng buộc hấp dẫn. Cũng giống như các ngôi sao trong trung tâm thiên hà của Ngân Hà có thể đạt tốc độ đáng kinh ngạc dựa trên mức độ ràng buộc với lỗ đen trung tâm, bảy ngôi sao siêu vận tốc được xác định trong khu vực trung tâm của Omega Centauri cũng cho thấy sự hiện diện của một lỗ đen. Mặc dù chưa có dữ liệu quỹ đạo chính xác của các ngôi sao này, các nhà khoa học tham gia nghiên cứu vẫn có thể đặt một giới hạn dưới đáng kể về khối lượng của lỗ đen bên trong: ít nhất 8.200 khối lượng Mặt Trời.

Hình ảnh bên trái cho thấy cụm sao cầu Omega Centauri. Bảng giữa phóng to khu vực trung tâm, trong khi bảng bên phải hiển thị vùng trong cùng ~0,3 năm ánh sáng của cụm sao. Chính trong khu vực cực kỳ nhỏ này, bảy ngôi sao siêu vận tốc quan trọng đã được tìm thấy và đo lường.

Lỗ đen khối lượng trung gian: Bằng chứng xác thực

Con số 8.200 khối lượng Mặt Trời lớn hơn ít nhất 30 lần so với lỗ đen có khối lượng sao nặng nhất từng được biết đến, nhưng lại nhỏ hơn ít nhất 30 lần so với lỗ đen siêu khối lượng nhẹ nhất từng được phát hiện. Trong nhiều năm, các nhà thiên văn đã tự hỏi: Nếu thực sự có một lỗ đen khối lượng trung gian trong các cụm sao cầu, thì các ngôi sao siêu vận tốc ở đâu? Việc phát hiện không chỉ một hoặc hai ngôi sao – vốn có thể chỉ là những thiên thể đi lạc không liên quan – mà tới bảy ngôi sao, tất cả đều nằm trong vùng cung nhỏ nhất của bầu trời, chính là bằng chứng không thể chối cãi để tuyên bố phát hiện ra một lỗ đen khối lượng trung gian. Không có lời giải thích nào khác phù hợp với các định luật vật lý đã biết.

Tuy nhiên, có một hạn chế cần lưu ý: Lỗ đen này, với khối lượng nhỏ hơn nhiều so với lỗ đen trung tâm của Ngân Hà, sẽ cần một khoảng thời gian rất dài – khoảng một thế kỷ thay vì một thập kỷ – để lập bản đồ hoàn chỉnh quỹ đạo của các ngôi sao chuyển động nhanh quay quanh nó. Dẫu vậy, dữ liệu sắp tới từ JWST sẽ giúp đo vận tốc theo đường ngắm của các ngôi sao này với độ chính xác cao hơn so với Hubble. Đồng thời, các nghiên cứu dài hạn với các đài quan sát mặt đất, bao gồm những cơ sở hiện tại như VLT và các kính viễn vọng tương lai như GMT hoặc ELT, có thể bắt đầu xác định cách các ngôi sao này gia tốc. Cuối cùng, chúng ta đã tìm thấy lỗ đen khối lượng trung gian đầu tiên một cách chắc chắn, và giờ đây hành trình tiếp theo là xác định chính xác các đặc điểm của nó.