Phát hiện một cơn bão lửa vũ trụ bất tận tại trung tâm Dải Ngân Hà

Hãy tưởng tượng những ngọn lửa mặt trời, nhưng được phóng đại đến một quy mô khổng lồ, đủ để tỏa sáng xuyên qua khoảng cách 26.000 năm ánh sáng trong không gian. Rải rác giữa những ánh sáng nhấp nháy này là những vụ nổ ánh sáng dữ dội xảy ra gần như bất tận chiếu sáng không gian sâu thẳm.

Thông qua hệ thống Kính viễn vọng Không gian đát giá nhất thế giới James Webb của NASA, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy hoạt động kịch tính này tại trung tâm của Dải Ngân Hà. Nguồn gốc của nó là đĩa bồi tụ bao quanh Sagittarius A*, lỗ đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà của chúng ta. Webb đã phát hiện những thay đổi nhanh chóng về độ sáng trong khoảng thời gian cực ngắn, cho thấy những vụ nổ bắt nguồn từ rìa trong của đĩa bồi tụ, gần chân trời sự kiện, nơi lực hấp dẫn mạnh nhất.

Màn trình diễn ánh sáng từ lỗ đen trung tâm Dải Ngân Hà

Lỗ đen siêu lớn tại trung tâm Dải Ngân Hà đang tạo ra một màn trình diễn ánh sáng không ngừng nghỉ. Sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA, một nhóm các nhà vật lý thiên văn đã ghi lại những quan sát chi tiết và kéo dài nhất từ trước đến nay về Sagittarius A*, "khoảng không" bí ẩn ẩn nấp tại trung tâm thiên hà của chúng ta.

Những phát hiện mới này tiết lộ rằng đĩa bồi tụ khí và bụi xoáy quanh Sagittarius A* liên tục phát ra các đợt bùng phát không ngừng. Những đợt bùng phát như vậy có cường độ và thời lượng khác nhau, từ những ánh sáng nhấp nháy ngắn ngủi kéo dài vài giây đến những vụ nổ mạnh mẽ, chói lòa xảy ra liên tục. Một số thậm chí thay đổi nhẹ trong nhiều tháng, tạo ra một màn trình diễn năng động và khó đoán.

Khám phá này có thể cung cấp những hiểu biết mới về bản chất cơ bản của lỗ đen, cách chúng thu thập vật chất từ môi trường xung quanh, và cách các quá trình này định hình sự tiến hóa của thiên hà chúng ta.

"Trong dữ liệu thu được, chúng tôi thấy độ sáng liên tục thay đổi, sủi bọt," nhà nghiên cứu Farhad Yusef-Zadeh từ Đại học Northwestern ở Illinois cho biết. "Và rồi bùng! Một vụ nổ lớn đột ngột xuất hiện. Sau đó, nó lại lắng xuống. Chúng tôi không thể tìm thấy một quy luật nào trong hoạt động này. Nó dường như là ngẫu nhiên. Hồ sơ hoạt động của lỗ đen này luôn mới mẻ và thú vị mỗi lần chúng tôi quan sát nó".

Video tua nhanh này nén khoảng 9 giờ quan sát hồng ngoại của Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA vào 30 giây. Webb đã quan sát lỗ đen tại trung tâm Dải Ngân Hà, được gọi là Sagittarius A* (A-star), phát hiện cả những ánh sáng nhấp nháy mờ và các đợt bùng phát sáng hơn (một trong số đó được nhìn thấy gần cuối video). Những biến động độ sáng này có thể bắt nguồn từ hai quá trình khác nhau.

Pháo hoa không gian

Để thực hiện nghiên cứu, Yusef-Zadeh và nhóm của ông đã sử dụng máy ảnh hồng ngoại gần (NIRCam) của Webb để quan sát Sagittarius A* tổng cộng 48 giờ, chia thành các đợt 8 đến 10 giờ trong một năm. Điều này cho phép họ theo dõi cách lỗ đen thay đổi theo thời gian.

Mặc dù nhóm nghiên cứu dự đoán sẽ thấy các đợt bùng phát, Sagittarius A* hoạt động mạnh hơn họ mong đợi. Các quan sát tiết lộ những màn pháo hoa liên tục với các mức độ sáng và thời lượng khác nhau. Đĩa bồi tụ xung quanh lỗ đen tạo ra năm đến sáu vụ nổ lớn mỗi ngày và một số vụ nổ nhỏ hơn xen kẽ.

Hai quá trình riêng biệt

Mặc dù các nhà vật lý thiên văn chưa hoàn toàn hiểu rõ các quá trình diễn ra, Yusef-Zadeh nghi ngờ rằngcó hai quá trình riêng biệt chịu trách nhiệm cho các vụ nổ ngắn và những đợt bùng phát dài hơn. Ông cho rằng những xáo trộn nhỏ trong đĩa bồi tụ có thể tạo ra các ánh sáng nhấp nháy mờ. Cụ thể, các dao động hỗn loạn trong đĩa có thể nén plasma (một loại khí nóng mang điện tích) để gây ra một vụ nổ bức xạ tạm thời. Yusef-Zadeh so sánh những sự kiện này với các ngọn lửa mặt trời.

"Điều này tương tự như cách từ trường của Mặt Trời tập hợp lại, nén chặt, và sau đó phun trào một ngọn lửa mặt trời," ông giải thích. "Tất nhiên, các quá trình này kịch tính hơn vì môi trường xung quanh lỗ đen giàu năng lượng hơn nhiều và cũng cực đoan hơn".

Yusef-Zadeh cho rằng các vụ nổ lớn, sáng chói là do các sự kiện tái kết nối từ trường — một quá trình trong đó hai từ trường va chạm, giải phóng năng lượng dưới dạng các hạt được gia tốc. Di chuyển với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng, các hạt này phát ra các vụ nổ bức xạ sáng chói.

Tầm nhìn kép

Vì hệ thống NIRCam của Webb có thể quan sát hai bước sóng riêng biệt cùng một lúc (2,1 và 4,8 micron trong trường hợp này), Yusef-Zadeh và các cộng sự của ông đã có thể so sánh cách độ sáng của các đợt bùng phát thay đổi theo từng bước sóng. Một lần nữa, các nhà nghiên cứu lại bất ngờ. Họ phát hiện ra rằng các sự kiện quan sát ở bước sóng ngắn thay đổi độ sáng trước các sự kiện ở bước sóng dài hơn một chút.

"Đây là lần đầu tiên chúng tôi thấy sự chậm trễ về thời gian trong các phép đo ở các bước sóng này," Yusef-Zadeh nói. "Chúng tôi quan sát các bước sóng này đồng thời với NIRCam và nhận thấy bước sóng dài chậm hơn bước sóng ngắn một khoảng thời gian rất nhỏ — có thể vài giây đến 40 giây".

Sự chậm trễ thời gian này cung cấp thêm manh mối về các quá trình vật lý xảy ra xung quanh lỗ đen. Một giả thuyết là các hạt mất năng lượng trong quá trình bùng phát — mất năng lượng nhanh hơn ở bước sóng ngắn so với bước sóng dài. Những thay đổi như vậy được dự đoán đối với các hạt xoắn quanh các đường sức từ trường.

Hướng tới một cái nhìn không bị gián đoạn

Để khám phá thêm những câu hỏi này, Yusef-Zadeh và nhóm của ông hy vọng sẽ sử dụng Webb để quan sát Sagittarius A* trong một khoảng thời gian dài hơn, chẳng hạn như 24 giờ liên tục, để giảm nhiễu và nhìn thấy các chi tiết tinh tế hơn.