Trong hơn bốn thập kỷ, các nhà thiên văn học đã đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của các hệ thống hố đen siêu khối lượng nhị phân, nhưng bằng chứng trực quan vẫn còn là điều khó nắm bắt. Giờ đây, cộng đồng khoa học đang sôi sục với sự phấn khích khi các nhà nghiên cứu cuối cùng đã chụp được hình ảnh đầu tiên được xác nhận về hai hố đen quay quanh nhau trong chuẩn tinh OJ287, nằm cách xa năm tỷ năm ánh sáng. Bước đột phá này không chỉ xác nhận một giả thuyết 40 năm tuổi mà còn cung cấp những hiểu biết quan trọng về một trong những câu hỏi khó giải nhất trong thiên văn học: làm thế nào các hố đen siêu khối lượng vượt qua bài toán parsec cuối cùng để cuối cùng hợp nhất.
Vũ Điệu Quỹ Đạo Của Những Gã Khổng Lồ Vũ Trụ
Hình ảnh mới được tiết lộ cho thấy hai điểm sáng đại diện cho các luồng phát hạt năng lượng cao được phát ra bởi các hố đen, với hố đen lớn hơn ước tính nặng 18 tỷ lần khối lượng Mặt Trời và bạn đồng hành nhỏ hơn của nó nặng 150 triệu lần khối lượng Mặt Trời. Điều khiến hệ thống này đặc biệt hấp dẫn các nhà thiên văn học là chu kỳ quỹ đạo 12 năm của nó, mà các cuộc thảo luận trong cộng đồng tiết lộ đã tạo ra một số động lực học khó tin. Hố đen nhỏ hơn quay với tốc độ lên tới 24,5% tốc độ ánh sáng trong lần tiếp cận gần nhất, tạo ra các hiệu ứng tương đối tính mà các nhà khoa học mới chỉ bắt đầu hiểu được.
Hệ thống này, OJ287, có lẽ là hệ thống quan trọng nhất chúng ta có để hiểu điều gì xảy ra với các hố đen siêu khối lượng sau khi một thiên hà hợp nhất. Đây là cái gọi là 'Bài Toán Parsec Cuối Cùng'.
Tầm quan trọng của OJ287 vượt xa việc chỉ chứng minh sự tồn tại của hố đen nhị phân. Như các cuộc thảo luận trong cộng đồng nêu bật, hệ thống này cung cấp một phòng thí nghiệm tự nhiên để nghiên cứu cách các hố đen siêu khối lượng tiến hóa sau khi các thiên hà va chạm. Khi hai thiên hà hợp nhất, các hố đen trung tâm của chúng về mặt lý thuyết sẽ xoắn ốc về phía nhau và cuối cùng hợp nhất, nhưng các nhà thiên văn học đã phải vật lộn để giải thích làm thế nào chúng vượt qua khoảng cách parsec cuối cùng.
Đặc điểm của Hệ thống Lỗ đen Nhị phân OJ287:
| Đặc điểm | Lỗ đen Chính | Lỗ đen Thứ cấp |
|---|---|---|
| Khối lượng | 18 tỷ khối lượng Mặt Trời | 150 triệu khối lượng Mặt Trời |
| Bán kính Schwarzschild | 356 AU | 3.0 AU |
| Chu kỳ quỹ đạo | 12 năm | 12 năm |
| Bán trục lớn | 13.800 AU (~0,22 năm ánh sáng) | 13.800 AU (~0,22 năm ánh sáng) |
| Tốc độ quỹ đạo (trung bình) | 282 km/s (0,094% c) | 33.900 km/s (11,3% c) |
| Tốc độ quỹ đạo (điểm gần nhất) | 613 km/s (0,20% c) | 73.600 km/s (24,5% c) |
| Thời gian ước tính đến khi sáp nhập | ~10.000 năm | ~10.000 năm |
Giải Quyết Câu Đố Parsec Cuối Cùng
Hệ thống OJ287 cung cấp manh mối quan trọng để giải quyết cái mà các nhà thiên văn gọi là bài toán parsec cuối cùng. Các mô hình lý thuyết dự đoán rằng khi hai hố đen siêu khối lượng tiến đến trong vòng khoảng một parsec của nhau, chúng sẽ cạn kiệt các ngôi sao lân cận giúp thu nhỏ quỹ đạo của chúng thông qua ma sát động lực học. Điều này sẽ khiến quá trình suy giảm quỹ đạo bị đình trệ, ngăn cản các hố đen tiến đủ gần để sóng hấp dẫn tiếp quản và hoàn tất việc hợp nhất. Tuy nhiên, vì chúng ta quan sát thấy các thiên hà đã hợp nhất khắp vũ trụ, một số cơ chế phải bắc cầu qua khoảng cách này.
Phân tích cộng đồng cho thấy rằng việc nghiên cứu chi tiết quỹ đạo của OJ287 có thể tiết lộ phần vật lý còn thiếu. Hệ thống cho thấy hố đen nhỏ hơn đâm xuyên qua đĩa bồi tụ của hố đen lớn hơn hai lần mỗi chu kỳ quỹ đạo 12 năm, tạo ra các vệt sáng rực rỡ và có khả năng cung cấp các cơ chế bổ sung cho việc mất năng lượng quỹ đạo. Một số người bình luận đã suy đoán liệu khí liên sao, thay vì chỉ các ngôi sao, có thể giúp phân tán động lượng hay không, mặc dù những người khác lưu ý rằng có thể không có đủ khối lượng khí so với các ngôi sao để tạo ra sự khác biệt đáng kể.
Giải thích các thuật ngữ thiên văn học chính:
- Bài toán parsec cuối cùng: Thách thức lý thuyết giải thích cách các lỗ đen siêu khối lượng vượt qua khoảng cách parsec cuối cùng để hợp nhất sau khi các thiên hà va chạm
- Quasar: Nhân thiên hà hoạt động cực kỳ sáng được cung cấp năng lượng bởi sự tích tụ vật chất vào lỗ đen siêu khối lượng
- Bán kính Schwarzschild: Khoảng cách từ tâm của lỗ đen mà tại đó vận tốc thoát bằng tốc độ ánh sáng
- Micro-arcsecond: Đơn vị đo góc bằng một phần triệu giây cung, được sử dụng cho các quan sát thiên văn cực kỳ chính xác
Những Kỳ Công Kỹ Thuật Đằng Sau Khám Phá
Việc chụp được hình ảnh này đòi hỏi một thành tựu công nghệ phi thường. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu từ vệ tinh RadioAstron, có ăng-ten mở rộng gần nửa đường từ Trái Đất đến Mặt Trăng, cung cấp độ phân giải cao hơn khoảng 100.000 lần so với kính thiên văn đặt trên mặt đất. Thiên văn vô tuyến dựa trên không gian này là rất cần thiết vì các quan sát trên mặt đất thiếu độ phân giải để tách hai hố đen. Độ chính xác yêu cầu thực sự là thiên văn theo đúng nghĩa đen - khoảng cách giữa các hố đen chỉ đo được 20 micro-giây cung, một góc nhỏ đến mức tương đương với việc phát hiện một đồng xu trên Mặt Trăng từ Trái Đất.
Khám phá này cũng tiết lộ các hiện tượng bất ngờ, bao gồm một luồng phát xoắn từ hố đen nhỏ hơn hoạt động như một vòi vườn đang quay. Các nhà khoa học cho rằng điều này là do chuyển động quỹ đạo của hố đen ảnh hưởng đến quỹ đạo của luồng phát theo thời gian. Các quan sát trong tương lai sẽ theo dõi hướng của luồng phát này thay đổi như thế nào khi các hố đen tiếp tục vũ điệu vũ trụ của chúng, cung cấp thêm nhiều dữ liệu về động lực học của hệ thống.
Hàm Ý Cho Sự Tiến Hóa Của Thiên Hà Và Hơn Thế Nữa
Việc xác nhận hệ thống nhị phân này có những hàm ý sâu sắc đối với sự hiểu biết của chúng ta về sự tiến hóa của thiên hà. Vì hầu hết các thiên hà lớn được cho là đã trải qua các vụ hợp nhất trong suốt lịch sử vũ trụ, các hệ thống hố đen nhị phân lẽ ra phải phổ biến, tuy nhiên cho đến nay chúng vẫn khó phát hiện một cách khét tiếng. Hệ thống OJ287 chứng minh rằng các cặp như vậy có thể tồn tại trong các quỹ đạo ổn định trong thời gian dài, và việc hợp nhất cuối cùng của chúng thông qua phát xạ sóng hấp dẫn đại diện cho một trong những sự kiện năng lượng cao nhất trong vũ trụ.
Cộng đồng cũng lưu ý đến những khả năng thú vị vượt ra ngoài phạm vi thiên văn học thuần túy. Một người bình luận quan sát rằng về mặt lý thuyết, một hệ thống như vậy có thể cho phép các nền văn minh phóng tàu vũ trụ với tốc độ đáng kể so với ánh sáng bằng cách sử dụng các thủ thuật hấp dẫn, mặc dù việc phanh lại tại điểm đến sẽ đặt ra những thách thức đáng kể. Những người khác kinh ngạc trước môi trường vật lý cực đoan, nơi hố đen nhỏ hơn quay với tốc độ gần một phần tư tốc độ ánh sáng, tạo ra các hiệu ứng giãn nở thời gian đáng kể và những cơ hội độc đáo để kiểm tra thuyết tương đối rộng trong các điều kiện khắc nghiệt.
Khám phá về bản chất nhị phân của OJ287 đánh dấu một cột mốc quan trọng trong vật lý thiên văn, vừa cung cấp sự xác nhận cho các lý thuyết lâu đời vừa tạo ra những câu đố mới cần giải quyết. Khi các nhà thiên văn tiếp tục theo dõi hệ thống này thông qua chu kỳ quỹ đạo 12 năm của nó, họ dự kiến sẽ thu thập thông tin chi tiết hơn nữa về sự tương tác của hố đen, có khả năng tiết lộ cơ chế bí ẩn giải quyết bài toán parsec cuối cùng và giải thích cách cuối cùng những gã khổng lồ vũ trụ này hợp nhất với nhau.
Tham khảo: Scientists capture first image of two black holes in orbit