Phát hiện mới có thể phá vỡ định luật 50 năm về vật lý hố đen

Những quan sát mới cho thấy mối quan hệ giữa các dạng ánh sáng phát ra từ quasar đã thay đổi theo thời gian vũ trụ, hé lộ khả năng cấu trúc vật chất quanh các hố đen siêu khối lượng không hề “đồng nhất” như chúng ta từng nghĩ.

Các nhà thiên văn học trên khắp thế giới vừa phát hiện những bằng chứng mạnh mẽ cho thấy môi trường vật chất bao quanh các hố đen siêu khối lượng không hề giữ nguyên trong suốt lịch sử của vũ trụ.

Nếu được xác nhận, kết quả từ nghiên cứu do Đài quan sát Quốc gia Athens dẫn đầu và công bố trên Monthly Notices of the Royal Astronomical Society có thể lật đổ một giả định nền tảng đã định hình nghiên cứu hố đen suốt gần 50 năm qua.

Quasar – được phát hiện lần đầu vào thập niên 1960 – là một trong những thiên thể sáng nhất từng được quan sát. Độ sáng khủng khiếp này đến từ các hố đen siêu khối lượng ở trung tâm, nơi lực hấp dẫn cực mạnh hút vật chất xung quanh vào bên trong. Khi rơi vào hố đen, vật chất tạo thành một đĩa bồi tụ quay với tốc độ rất cao, dần dần “nuôi” hố đen.

Trong quá trình quay, các hạt vật chất va chạm và ma sát với nhau, khiến đĩa bồi tụ nóng lên đến nhiệt độ cực cao. Hiện tượng này giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, tạo ra ánh sáng mạnh gấp từ 100 đến 1.000 lần so với toàn bộ một thiên hà gồm khoảng 100 tỷ ngôi sao. Bức xạ tử ngoại sinh ra mạnh đến mức kính thiên văn có thể phát hiện quasar ở khoảng cách cực xa, thậm chí gần rìa của vũ trụ quan sát được.

Từ tử ngoại đến tia X: Mối liên hệ kéo dài nửa thế kỷ

Ánh sáng tử ngoại từ đĩa bồi tụ được cho là “nguồn nhiên liệu” cho bức xạ tia X có năng lượng cao hơn nhiều mà quasar phát ra. Khi các tia tử ngoại di chuyển trong không gian, chúng va chạm với các đám hạt năng lượng cao nằm rất gần hố đen, một cấu trúc được gọi là “vầng hào quang” (corona).

Trong quá trình va chạm, các tia tử ngoại được “khuếch đại” năng lượng và chuyển hóa thành tia X cường độ mạnh – loại bức xạ mà các thiết bị quan sát trên Trái Đất có thể ghi nhận.

Do có chung nguồn gốc, cường độ tia X và ánh sáng tử ngoại của quasar được cho là có mối liên hệ chặt chẽ: ánh sáng tử ngoại càng mạnh thì tia X càng dữ dội. Mối tương quan này, được phát hiện cách đây gần 50 năm, đã trở thành nền tảng để các nhà khoa học suy luận về hình học và điều kiện vật lý của vật chất gần hố đen siêu khối lượng, đồng thời là trọng tâm của nhiều thập kỷ nghiên cứu.

Tuy nhiên, nghiên cứu mới mang đến một cú “bẻ lái” lớn khi thách thức giả định rằng mối tương quan này là phổ quát và không đổi. Nói cách khác, cấu trúc vật chất quanh hố đen có thể không giống nhau ở mọi thời điểm trong lịch sử vũ trụ.

Kết quả cho thấy khi vũ trụ còn trẻ – vào khoảng một nửa độ tuổi hiện tại – mối quan hệ giữa tia X và ánh sáng tử ngoại của quasar khác biệt đáng kể so với những gì quan sát được trong vũ trụ gần chúng ta. Phát hiện này gợi ý rằng các quá trình vật lý liên kết giữa đĩa bồi tụ và vầng hào quang quanh hố đen siêu khối lượng có thể đã thay đổi trong khoảng 6,5 tỷ năm lịch sử vũ trụ.

“Việc xác nhận rằng mối quan hệ giữa tia X và ánh sáng tử ngoại không mang tính phổ quát theo thời gian vũ trụ thực sự rất bất ngờ, và nó thách thức hiểu biết hiện tại của chúng ta về cách các hố đen siêu khối lượng phát triển và bức xạ,” tiến sĩ Antonis Georgakakis, một trong các tác giả nghiên cứu, cho biết.

Chúng tôi đã kiểm tra kết quả này bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng xu hướng đó vẫn liên tục xuất hiện.

Dữ liệu chưa từng có và cách tiếp cận phương pháp mới

Nghiên cứu kết hợp các quan sát tia X mới từ kính thiên văn eROSITA với dữ liệu lưu trữ của đài quan sát XMM-Newton thuộc Cơ quan Vũ trụ châu Âu. Nhờ đó, nhóm nghiên cứu có thể khảo sát mối quan hệ giữa cường độ tia X và ánh sáng tử ngoại trên một tập mẫu quasar lớn chưa từng có.

Điểm then chốt nằm ở độ bao phủ rộng và đồng đều của eROSITA, cho phép nghiên cứu các quần thể quasar ở quy mô mà trước đây chưa thể thực hiện.

Giả định về tính phổ quát của mối quan hệ tử ngoại – tia X là nền tảng cho nhiều phương pháp sử dụng quasar như “nến chuẩn” để đo hình học của vũ trụ, từ đó tìm hiểu bản chất của vật chất tối và năng lượng tối. Kết quả mới cho thấy cần phải thận trọng hơn, đồng thời xem xét lại nghiêm túc giả định rằng cấu trúc hố đen không thay đổi theo thời gian vũ trụ.

“Bước tiến quan trọng nhất ở đây nằm ở phương pháp nghiên cứu,” tiến sĩ Maria Chira của đài quan sát Quốc gia Athens, tác giả chính của bài báo, chia sẻ.

“Khảo sát eROSITA rất rộng nhưng tương đối ‘nông’, nghĩa là nhiều quasar chỉ được phát hiện với vài photon tia X. Bằng cách kết hợp dữ liệu này trong một khung thống kê Bayesian chặt chẽ, chúng tôi có thể phát hiện những xu hướng tinh tế mà trước đây bị bỏ sót.”

Trong thời gian tới, toàn bộ dữ liệu quét bầu trời của eROSITA sẽ cho phép các nhà thiên văn nghiên cứu những quasar mờ hơn và xa hơn nữa. Các phân tích trong tương lai, kết hợp với thế hệ kính thiên văn tia X và các khảo sát đa bước sóng mới, sẽ giúp xác định liệu sự thay đổi quan sát được phản ánh một biến đổi vật lý thực sự hay chỉ là hiệu ứng chọn mẫu.

Những nghiên cứu như vậy hứa hẹn mang lại hiểu biết sâu sắc hơn về cách các hố đen siêu khối lượng tạo ra những nguồn sáng mạnh nhất vũ trụ, cũng như cách hành vi của chúng đã tiến hóa theo dòng thời gian vũ trụ.