[비즈한국] Năm 2015, các nhà vật lý đã sử dụng máy dò LIGO để phát hiện ra sự rung động của không-thời gian để lại sau vụ va chạm của hai lỗ đen cách xa hàng trăm triệu năm ánh sáng. Những rung động mang tên sóng hấp dẫn đó được tạo ra bởi sự va chạm của các lỗ đen khối lượng sao, mỗi lỗ đen có khối lượng gấp khoảng 20 đến 30 lần khối lượng Mặt Trời.
Kể từ đó, nhiều máy dò sóng hấp dẫn bao gồm cả LIGO đã bắt gặp các vụ va chạm của nhiều lỗ đen khối lượng sao khác nhau. Tuy nhiên, tất cả đều là các lỗ đen nhỏ và nhẹ, chỉ gấp vài chục lần khối lượng Mặt Trời. Thế nhưng, cư ngụ tại trung tâm các thiên hà lại là những lỗ đen siêu khối lượng lớn hơn gấp bội, đạt mức khối lượng khổng lồ gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Vẫn còn nhiều bí ẩn chưa được giải đáp về cách thức hình thành của các lỗ đen siêu khối lượng này, cũng như việc liệu chúng có thực sự tiến lại gần nhau và va chạm trong quá trình hợp nhất thiên hà hay không.
Thế nhưng, kính viễn vọng James Webb đã thành công trong việc bắt gặp hiện trường một cặp lỗ đen siêu khối lượng va chạm ở nơi xa xôi nhất trong lịch sử! Hiện trường này nằm trong vũ trụ sơ khai, chỉ mới 740 triệu năm sau vụ nổ Big Bang. Đó là thời điểm cách đây tới 13 tỷ năm! Khám phá này có thể cung cấp những manh mối quan trọng về cách thức các lỗ đen siêu khối lượng tại trung tâm thiên hà đã tăng trưởng như thế nào ngay từ thuở sơ khai của vũ trụ.
Xung quanh các lỗ đen siêu khối lượng tại trung tâm thiên hà, một lượng lớn vật chất bị giữ lại bởi lực hấp dẫn cực mạnh. Chúng chuyển động xoay quanh với tốc độ rất cao và bị nung nóng lên, tạo thành cái gọi là đĩa bồi tụ xung quanh lỗ đen. Đĩa bồi tụ có thể bị nung nóng đến nhiệt độ rất cao, khiến các nguyên tử hydro xung quanh bị kích thích ở mức độ cao, từ đó phát ra ánh sáng rõ nét ở những bước sóng cụ thể. Điều quan trọng là đĩa bồi tụ xung quanh lỗ đen không đứng yên mà đang xoay với tốc độ cực lớn.
Do sự xoay nhanh này, các vạch phát xạ trong phổ hydro phát ra từ đĩa bồi tụ mà chúng ta quan sát được từ Trái Đất sẽ trải qua hiệu ứng Doppler, khiến bước sóng bị ngắn đi hoặc dài ra. Khi nhìn từ Trái Đất, phần đĩa di chuyển ra xa chúng ta sẽ có phổ lệch về phía bước sóng dài hơn, còn phần đĩa di chuyển lại gần chúng ta sẽ có phổ lệch về phía bước sóng ngắn hơn.
Nếu đĩa bồi tụ đứng yên, chúng ta sẽ quan sát thấy một phổ có dạng vạch sắc nét tại một bước sóng cụ thể. Nhưng vì đĩa bồi tụ xoay nhanh, phổ sẽ có dạng lan rộng hơn ở cả phía trước và phía sau bước sóng đó. Hiện tượng này được gọi là sự mở rộng vạch phổ. Tốc độ xoay của đĩa bồi tụ càng nhanh thì mức độ mở rộng vạch phổ càng lớn.
Các thiên hà hoạt động với trung tâm là những lỗ đen khổng lồ nuốt chửng vật chất và phun ra nguồn năng lượng khổng lồ thường có dạng phổ rất đặc trưng. Vùng bao quanh ngay sát lỗ đen ở trung tâm thiên hà xoay với tốc độ cực nhanh, nên phổ quan sát được có dạng mở rộng vạch phổ rất phẳng và rộng. Ngược lại, khi đi ra vùng xa trung tâm thiên hà, tốc độ xoay của các đám mây hydro giảm dần, mức độ mở rộng của vạch phổ cũng hẹp lại. Đặc biệt, các thiên hà hoạt động đang tăng trưởng mạnh mẽ thường có đặc điểm là hiển thị đồng thời cả hai loại phổ: vạch rộng và vạch hẹp.
Trong đợt quan sát lần này bằng kính James Webb, các nhà thiên văn học đã bắt gặp Zs7, một thiên hà nguyên thủy rất mờ nhạt được cho là tồn tại trong vũ trụ sơ khai cách đây khoảng 13 tỷ năm. Họ đã quan sát trung tâm thiên hà này bằng thiết bị quang phổ NIRSpec của James Webb. Đáng chú ý, lần quan sát này không sử dụng phương pháp cổ điển là quan sát phổ tổng thể của cả thiên hà, mà áp dụng kỹ thuật phân tách phổ của từng pixel trong ảnh thiên hà một cách rõ nét hơn. Kỹ thuật này được gọi là IFU (integrated field unit).
Việc tận dụng công nghệ này không chỉ giúp suy luận xem có bao nhiêu ngôi sao đang hình thành trong toàn bộ thiên hà và mức độ hoạt động của lỗ đen mạnh đến đâu, mà còn cho phép xác định với độ phân giải cao hơn xem từng vùng cụ thể trong thiên hà đang hình thành bao nhiêu ngôi sao và lỗ đen ở mỗi khu vực hoạt động mạnh mẽ như thế nào.
Các nhà thiên văn học đã xác định được dạng phổ rõ nét hiển thị cả vạch rộng và vạch hẹp tại trung tâm thiên hà Zs7. Đáng kinh ngạc là dạng phổ này không chỉ được quan sát thấy ở một vị trí duy nhất. Nó còn được ghi nhận tại hai điểm nằm cách trung tâm thiên hà một khoảng cách nhỏ! Tại vị trí nằm chếch lên phía bên phải so với tâm thiên hà trong ảnh, dữ liệu cho thấy sự tồn tại của cả hai dạng phổ hydro: vạch rộng và vạch hẹp. Ngược lại, ngay tại trung tâm thiên hà trong ảnh, chỉ xác nhận được dạng phổ hydro có vạch hẹp.
Dựa trên căn cứ này, các nhà thiên văn học suy luận rằng có ít nhất hai hoặc nhiều hơn các lỗ đen siêu khối lượng cùng tồn tại ở trung tâm thiên hà này. Một lỗ đen nằm ở tâm, lỗ đen còn lại nằm hơi lệch ra ngoài. Đặc biệt, bằng cách sử dụng dữ liệu quan sát thiên hà hiển thị cả phổ vạch rộng và hẹp, họ có thể suy ra khối lượng của lỗ đen trung tâm. Các nhà thiên văn học ước tính khối lượng của lỗ đen siêu khối lượng nằm hơi lệch khỏi tâm thiên hà vào khoảng 50 triệu lần khối lượng Mặt Trời. Đây là mức khối lượng lớn hơn gần 10 lần so với lỗ đen ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta (khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt Trời)! Điều này cho thấy ngay cả trong vũ trụ cực kỳ sơ khai khi mới chỉ 700 triệu năm tuổi, đã tồn tại các lỗ đen siêu khối lượng nặng hơn nhiều so với lỗ đen trung tâm của Dải Ngân hà.
Việc hai lỗ đen siêu khối lượng khổng lồ như vậy tụ họp ở khoảng cách gần được cho là do hai thiên hà va chạm trong vũ trụ sơ khai, dẫn đến việc các lỗ đen siêu khối lượng mà mỗi thiên hà chứa đựng đang dần hợp nhất. Tất nhiên, quá trình va chạm và hợp nhất giữa các lỗ đen siêu khối lượng vẫn còn nhiều bí ẩn chưa có lời giải. So với va chạm giữa các lỗ đen khối lượng sao nhẹ hơn nhiều, kết cục của quá trình va chạm giữa các lỗ đen siêu khối lượng vẫn chưa hoàn toàn chắc chắn. Đó là do vấn đề "parsec cuối cùng" (final parsec problem) của lỗ đen siêu khối lượng vẫn còn tồn tại: nếu hai lỗ đen siêu khối lượng tiến lại gần nhau dưới một năm ánh sáng, quỹ đạo của chúng có thể không tiếp tục thu hẹp mà duy trì trạng thái ổn định, dẫn đến việc không thể hợp nhất. Vì vậy, vẫn chưa rõ liệu những lỗ đen nặng nề trú ngụ tại các trung tâm thiên hà này có đang thực sự tăng kích thước thông qua việc hợp nhất với nhau hay không.
Kể từ lần quan sát đầu tiên vào năm 2015 cho đến nay, nhân loại đã và đang phát hiện các vụ va chạm giữa các lỗ đen khối lượng sao tương đối nhẹ cách xa hàng trăm triệu năm ánh sáng bằng các máy dò sóng hấp dẫn đặt khắp nơi trên Trái Đất. Khi những rung động không-thời gian do va chạm để lại bay xa hàng trăm triệu năm và đi ngang qua vùng lân cận Trái Đất, chúng ta xác nhận sự tồn tại của sóng hấp dẫn thông qua việc không-thời gian rung động cực kỳ tinh vi. Điều này cũng giống như tâm thế của một người câu cá thả cần trên biển và chỉ chờ đợi một cú rung lắc. Giờ đây, chúng ta đang tận hưởng một kỷ nguyên mới, quan sát vũ trụ không chỉ bằng bức xạ điện từ và ánh sáng cổ điển, mà còn thông qua một loại bước sóng mới mang tên sóng hấp dẫn.
Tuy nhiên, vẫn còn những hạn chế. Kích thước của mạng lưới hay cần câu sóng hấp dẫn có thể lắp đặt trên Trái Đất suy cho cùng không thể lớn hơn chính Trái Đất. Để phát hiện những rung động không-thời gian mờ nhạt hơn lan tỏa từ những nơi xa xôi hơn trong vũ trụ, cần một mạng lưới sóng hấp dẫn có quy mô lớn hơn Trái Đất. Chính vì vậy, các nhà thiên văn học đang chuẩn bị cho sứ mệnh LISA, một máy dò sóng hấp dẫn trong không gian dự kiến vào năm 2035, với các trạm dò bay theo đội hình quanh Mặt Trời thay vì đặt trên mặt đất. Công tác tiền đề nhằm kiểm tra khả năng kỹ thuật của LISA, mang tên LISA Pathfinder, đã đạt được những kết quả thành công một phần, giúp kế hoạch đang tiến triển thuận lợi.
Nếu sứ mệnh này được thực hiện, chúng ta sẽ bước vào kỷ nguyên không chỉ phát hiện các vụ va chạm của lỗ đen khối lượng sao trong vũ trụ tương đối gần, mà còn dò được cả những dấu vết sóng hấp dẫn từ hàng tỷ năm trước, do các vụ va chạm giữa các lỗ đen siêu khối lượng tồn tại trong vũ trụ sơ khai xa xôi để lại. Vũ trụ mà chúng ta cảm nhận được bằng những máy dò sóng hấp dẫn nhạy bén hơn liệu sẽ còn rung động đến nhường nào? Bản thân vũ trụ đã và đang chao đảo phức tạp trên toàn bộ không-thời gian do các vụ va chạm lỗ đen lớn nhỏ diễn ra ở khắp nơi. Chỉ là những rung động đó quá đỗi tinh vi nên với chúng ta, không-thời gian của vũ trụ chỉ mang lại cảm giác tĩnh lặng. Nhưng nếu chẳng bao lâu nữa, chúng ta có thể cảm nhận vũ trụ bằng những chiếc cần câu có thể dò được những rung động tinh vi hơn, vũ trụ sẽ không còn là một thế giới tĩnh lặng và yên ả như trước nữa.
Thông qua đó, chúng ta có thể thu được những manh mối mới cho nhiều câu hỏi còn chưa được giải đáp: làm thế nào những lỗ đen siêu khối lượng nặng nề ở trung tâm thiên hà lại đạt được kích thước khổng lồ như ngày nay từ thuở sơ khai, và liệu kết cục của các vụ va chạm và hợp nhất giữa chúng sẽ kết thúc ra sao.
Tham khảo
https://academic.oup.com/mnras/article/531/1/355/7671512
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem bộ phim "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ đến với mọi người. Hiện anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học gần thuộc Đại học Yonsei. Anh cũng tích cực tham gia các hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách, đồng thời là tác giả của các cuốn sách như ‘Đài quan sát hẹn hò’, ‘Nghĩ về vũ trụ cả ngày’, ‘Sao, Khoa học của ánh sáng’.