Lỗ đen có thể định hình thiên hà

Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã phân tích kết quả thu được trong 8 năm ở đài quan sát XMM-Newton về lỗ đen ở lõi của PG 1114+445, một thiên hà hoạt động, qua đó chứng tỏ rằng các luồng gió siêu nhanh – những luồng chảy mạnh của khí phát ra từ phần cấu trúc hình đĩa đang được mở rộng rất gần với lỗ đen đó – tương tác với vật chất liên sao ở những phần trung tâm của thiên hà này. Những luồng chảy từng được biết đến trước đó nhưng nghiên cứu mới này đã nhận diện một cách rõ ràng, lần đầu tiên, ba pha tương tác của chúng với thiên hà chứa nó.

“Những luồng gió này có thể giải thích cho chúng ta một số mối tương quan hết sức ngạc nhiên mà chúng ta đã biết nhiều năm nhưng chưa lý giải được nó”, Roberto Serafinelli – Viện nghiên cứu vật lý thiên văn quốc gia Ý ở Milan và là tác giả chính của nghiên cứu, vốn là một phần của chương trình tiến  sĩ mà anh theo đuổi ở trường đại học Rome Tor Vergata.

“Ví dụ, chúng tôi thấy có mối tương liên giữa khối lượng của các lỗ đen siêu khối lượng và tốc độ tán sắc của các ngôi sao ở các phần bên trong của những thiên hà chủ. Nhưng không có cách giải thích nào phù hợp với hiệu ứng hấp dẫn của lỗ đen. Nghiên cứu của chúng tôi lần đầu tiên chứng tỏ được cách các luồng gió lỗ đen tác động đến thiên hà trên một phạm vi rộng, có thể cung cấp bằng chứng về mối liên hệ còn khuyết thiếu này”.  

Trước đây, các nhà thiên văn học đã dò tìm hai loại gió vũ trụ trong những quang phổ tia X do các nhân thiên hà hoạt động phát ra, những vùng đậm đặc ở trung tâm của các thiên hà đã biết chứa những lỗ đen siêu khối lượng.

Thứ mà chúng ta vẫn gọi là các luồng chảy siêu nhanh (ultra-fast outflows UFOs), được tạo ra từ khí ion hóa, di chuyển tại tốc độ lên tới 40% tốc độ ánh sáng và được quan sát trong vùng lân cận của trung tâm lỗ đen.

Những dòng chảy chậm hơn, như những các vật thể hấp thụ nhiệt ấm, di chuyển với tốc độ thấp hơn nhiều, khoảng vài trăm km/s và có những đặc điểm vật lý tương đồng – như độ đậm đặc và ion hóa của hạt – đến vật chất liên sao xung quanh. Có thể dò được những dòng chảy chậm hơn đó tại các khoảng cách lớn hơn từ những vùng trung tâm của thiên hà.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học miêu tả loại dòng chảy thứ ba có sự kết hợp của các đặc tính của hai dòng chảy trước: tốc độ của UFO và các thuộc tính vật lý của các vật thể hấp thụ nhiệt ấm.

“Chúng tôi tin tưởng đây chính là điểm khi UFO chạm đến vật chất liên sao và quét chúng đi như kiểu máy cào tuyết”, Serafinelli nói. “Chúng tôi có thể gọi đây là “dòng chảy cuốn siêu nhanh” bởi vì UFO trong phạm vi này đang thổi suốt vật chất liên sao, tương tự như gió đẩy các cánh buồm trên biển cả”.

Quá trình thổi này xảy ra tại một khoảng cách từ hàng chục đến hàng trăm năm ánh sáng từ lỗ đen. UFO đẩy vật chất liên sao khỏi các phần trung tâm của thiên hà, thổi sạch khí khỏi nó và làm chậm dần dần sự bồi đắp của vật chất quanh lỗ đen siêu khối lượng.  

Nếu trước đây, các mô hình đã từng dự đoán kiểu tương tác này trước đó thì nghiên cứu hiện tại là công trình đầu tiên trình bày được những quan sát thực tế của cả ba pha đó.

“Trong dữ liệu XMM-Newton, chúng tôi có thể thấy vật chất tại khoảng cách lớn từ trung tâm thiên hà một cách rõ ràng, không bị nhiễu vì phần bên trong của UFO”, đồng tác giả Francesco Tombesi của trường đại học Rome Tor Vergata và Trung tâm nghiên cứu Không gian Goddard của NASA. “Chúng tôi có thể thấy những đám mây gần với lỗ đen, ở vùng lõi của thiên hà, nơi UFO bắt đầu tương tác với vật chất liên sao”.

Tương tác đầu tiên này xảy ra nhiều năm sau khi UFO rời khỏi lỗ đen. Nhưng năng lượng của UFO cho phép lỗ đen nhỏ có liên quan tác động lên vật chất, dù chúng ở quá tầm với của lực hấp dẫn của lỗ đen.

Theo các nhà khoa học, các lỗ đen siêu khối lượng truyền năng lượng của chúng vào môi trường xung quanh thông qua các dòng chảy và các vủng trung tâm không còn vật chất của thiên hà khỏi khí, vốn có thể làm tạm ngừng việc hình thành sao. Trên thực tế, các thiên hà ngày nay tạo ra các ngôi sao với tần suất ít hơn so các giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa.

“Đây là lần thứ 6 chúng tôi dò được các dòng chảy này”, Serafinelli nói. “Đây là một thứ khoa học mới. Những pha của dòng chảy đó từng được quan sát một cách riêng rẽ trước đây nhưng cho đến gần đây, việc kết nối giữa chúng mới thực sự trở nên rõ ràng”.  

Độ phân giải năng lượng chưa từng thấy XMM-Newton là chìa khóa để phân biệt giữa ba kiểu đặc điểm tương ứng với ba kiểu dòng chảy. Trong tương lai, với những quan sát mới và tăng cường độ chính xác hơn như Kính viễn vọng tiên tiến cho vật lý thiên văn năng lượng cao Athena của ESA, các nhà thiên văn sẽ có khả năng quan sát hàng trăm trong số hàng ngàn lỗ đen siêu khối lượng và dò được các dòng chảy một cách dễ dàng hơn. Athena là kính viễn vọng có độ nhạy gấp 100 lần so với XMM-Newton và đã được lên lịch lắp đặt vào khoảng đầu năm 2030.

“Có được nguồn phát là điều xuất sắc nhưng nếu biết tường tận hiện tượng này thực sự là điểm chung của toàn vũ trụ thậm chí có thể là một đột phá thực sự”, Norbert Schartel, một nhà khoa học tham gia dự án XMM-Newton tại ESA nhận xét. “Thậm chí với XMM-Newton, chúng tôi có thể có khả năng tìm thấy nhiều nguồn thông tin hơn nữa trong thập kỷ tới”.

Nhiều dữ liệu trong tương lai sẽ giúp làm sáng tỏ các tương tác phức tạp giữa các lỗ đen siêu khối lượng và những thiên hà chứa chúng một cách chi tiết và giải thích sự giảm sút hình thành sao mà các nhà thiên văn đã quan sát được, vốn đã được diễn ra vài tỷ năm trước.  

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-07-black-holes-galaxies.html