[비즈한국] Có câu nói rằng "nếu cứ an phận thì sẽ ở mức trung bình". Ý nói rằng đừng cố quá sức, chỉ cần hoàn thành tốt những việc được giao là có thể sống yên ổn mà không gặp rắc rối gì. Thế nhưng, trong vũ trụ của chúng ta, châm ngôn này dường như không áp dụng được. Đặc biệt là trong thế giới của các lỗ đen thì điều đó càng đúng hơn.
Thế giới của lỗ đen không có khái niệm "trung bình". Lỗ đen chỉ được phát hiện ở hai thái cực của khối lượng: hoặc là rất nhẹ, hoặc là rất nặng. Những lỗ đen có khối lượng trung bình nằm ở giữa gần như không được tìm thấy. Không rõ liệu có phải do lỗ đen khối lượng trung bình tình cờ ẩn náu ở những nơi kỳ lạ nên chúng ta chưa tìm ra, hay ngay từ đầu chúng vốn không tồn tại trong vũ trụ. Hiện nay, vẫn có nhiều nhà thiên văn học đang tìm kiếm các lỗ đen khối lượng trung bình để lấp đầy khoảng trống trong phân bố khối lượng của lỗ đen. Có lẽ, họ đang đuổi theo bóng ma của một thứ vốn không hề tồn tại.
Tuy nhiên, gần đây chúng ta đã thành công trong việc bắt gặp một hiện trường đáng tin cậy nghi là lỗ đen khối lượng trung bình! Mặc dù danh sách lỗ đen chỉ vừa mới được bổ sung thêm một cái tên, nhưng giữa việc "không chắc chắn có tồn tại hay không" và "phát hiện được dù chỉ một cái" là một sự khác biệt rất lớn. Bây giờ, chúng ta có thể thoát khỏi nỗi lo rằng lỗ đen khối lượng trung bình có thể chỉ là một bóng ma không tồn tại. Dù việc phát hiện chúng vẫn còn rất khó khăn, nhưng ít nhất chúng ta đã có thể khẳng định rằng chúng đang ẩn nấp đâu đó và chờ đợi chúng ta.
Lỗ đen được chia thành hai loại chính dựa trên quy mô khối lượng. Có những lỗ đen nặng gấp vài chục đến tối đa khoảng 100 lần khối lượng Mặt Trời. Những lỗ đen này được tạo ra khi các ngôi sao rất nặng kết thúc quá trình tiến hóa và trải qua sự sụp đổ trọng trường. Đây được gọi là lỗ đen khối lượng sao. Bạn có thể coi chúng chính là những lỗ đen được nhắc đến khi nói rằng "ngôi sao chết đi và trở thành lỗ đen". Chúng là hạng "hạng nhẹ" trong thế giới lỗ đen.
Ngoài ra còn có những lỗ đen "hạng nặng" nặng hơn nhiều. Đó là các lỗ đen siêu khối lượng thường được tìm thấy ở trung tâm các thiên hà. Chúng sở hữu khối lượng áp đảo, gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Tất nhiên, những lỗ đen khổng lồ như vậy không phải được tạo ra từ cái chết của một ngôi sao duy nhất. Có khả năng các lỗ đen khối lượng sao từng tụ tập đông đúc ở trung tâm thiên hà từ rất lâu trước đây đã hợp nhất và phát triển thành lỗ đen siêu khối lượng đồ sộ như hiện nay. Hoặc cũng có thể ngay sau vụ nổ Big Bang, những đám mây khí khổng lồ đã co lại cùng lúc và hình thành ngay lập tức thành lỗ đen siêu khối lượng.
Nói một cách đơn giản, một ngôi sao nặng chết đi sẽ trở thành lỗ đen khối lượng sao. Tại trung tâm các thiên hà khổng lồ là nơi trú ngụ của lỗ đen siêu khối lượng. Vậy thì, ở giữa chúng, chẳng phải nên có một lỗ đen mức độ "hạng trung" – không quá nặng cũng không quá nhẹ hay sao? Việc tồn tại những lỗ đen có khối lượng từ nghìn đến vạn lần khối lượng Mặt Trời là điều tự nhiên. Nhưng cho đến nay, các lỗ đen khối lượng trung bình này hầu như không được tìm thấy.
Sự thiếu vắng của chúng đặt ra nghi vấn cho giả thuyết rằng lỗ đen siêu khối lượng chỉ là kết quả của việc các lỗ đen khối lượng sao nhẹ hợp nhất lại. Nếu kết quả của việc các lỗ đen hạng nhẹ tập hợp và tăng kích thước dần dần chính là lỗ đen hạng nặng hiện nay, thì tất nhiên trong quá trình đó, chúng phải trải qua giai đoạn lỗ đen hạng trung. Việc không tìm thấy lỗ đen hạng trung khiến người ta đặt câu hỏi liệu lỗ đen siêu khối lượng có thực sự được tạo ra từ sự hợp nhất của các lỗ đen nhẹ ngay từ đầu hay không.
Nếu lỗ đen khối lượng trung bình thực sự đang ẩn nấp đâu đó, chúng ta nên tìm kiếm ở đâu? Vì ở trung tâm các thiên hà khổng lồ đã có lỗ đen siêu khối lượng, nên có thể kỳ vọng tìm thấy chúng ở trung tâm của các thiên hà lùn hoặc các cụm sao cầu có quy mô nhỏ hơn một chút. Trên thực tế, các quan sát gần đây đã thu được nhiều tín hiệu nghi là dấu vết của lỗ đen khối lượng trung bình tại trung tâm các thiên hà lùn – nơi có quy mô nhẹ hơn gần 1.000 lần so với Ngân Hà của chúng ta. Tuy nhiên, kết quả này vẫn chưa hoàn toàn chắc chắn.
Trong việc tìm kiếm lỗ đen khối lượng trung bình, chúng ta có thể rút ra bài học từ lịch sử quan sát xác nhận sự tồn tại của lỗ đen siêu khối lượng Sagittarius A* tại trung tâm Ngân Hà. Các nhà thiên văn học người Đức là Reinhard Genzel và Andrea Ghez đã bắt đầu quan sát "con quái vật" trú ngụ tại trung tâm Ngân Hà từ những năm 1990. Họ đã sử dụng kính thiên văn Keck ở Mauna Kea, Hawaii và Kính thiên văn cực lớn (VLT) ở Chile để theo dõi chuyển động của các ngôi sao quay quanh trung tâm Ngân Hà. Để phân biệt rõ ràng chuyển động của từng ngôi sao trong khu vực trung tâm Ngân Hà nơi các ngôi sao tụ tập với mật độ cao, cần phải quan sát với độ phân giải rất tốt. Đó là lý do họ cần sự trợ giúp của các kính thiên văn khổng lồ như Keck hay VLT.
Họ đã kiên trì quan sát chuyển động của nhiều ngôi sao cho đến năm 2000. Kết quả là họ phát hiện các ngôi sao ở trung tâm Ngân Hà di chuyển theo những quỹ đạo elip bị méo mó với tốc độ rất nhanh. Quỹ đạo của chúng tập trung dày đặc trong một khu vực hẹp chỉ vài năm ánh sáng. Điều đáng kinh ngạc hơn nữa là tại tâm của các quỹ đạo elip đó không hề thấy thiên thể sáng nào.
Các ngôi sao hẳn đang bị lực hấp dẫn tại trung tâm Ngân Hà níu giữ. Việc các ngôi sao trung tâm di chuyển với tốc độ rất nhanh như Genzel và Ghez quan sát được đồng nghĩa với việc có một thứ gì đó ẩn giấu tại trung tâm đang nắm giữ các ngôi sao xung quanh bằng một lực hấp dẫn cực mạnh. Khối lượng của khối vật chất có lực hấp dẫn kinh khủng này ước tính vào thời điểm đó là khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt Trời. Một khối lượng quá nặng buộc phải tập trung với mật độ cao trong một phạm vi quá nhỏ.
Nếu là một ngôi sao siêu lớn hay một cụm sao có khối lượng như vậy thì lẽ ra phải nhìn thấy ánh sáng rực rỡ. Nhưng không hề có bất kỳ ánh sáng nào. Chỉ có một thứ phù hợp với vị trí đó: một sự tồn tại bí ẩn gồm vật chất tập trung với mật độ cực cao – lỗ đen siêu khối lượng. Sau đó, vào năm 2020, thông qua các quan sát chứng minh sự tồn tại của lỗ đen trung tâm Ngân Hà, hai nhà khoa học này đã nhận giải Nobel Vật lý cùng với nhà vật lý Roger Penrose – người đã xác định về mặt toán học điểm kỳ dị tại tâm lỗ đen.
Tương tự như vậy, nếu có lỗ đen khối lượng trung bình tồn tại trong các cụm sao cầu có quy mô nhỏ hơn thiên hà, liệu chúng ta có thể chứng minh sự tồn tại của chúng bằng phương pháp tương tự như Genzel và Ghez đã làm hay không? Đó chính là theo dõi chuyển động của các ngôi sao đang xoay quanh nhanh chóng xung quanh một khoảng không trống rỗng, nơi không phát ra ánh sáng, ngay tại trung tâm cụm sao cầu.
Để làm được điều này, các nhà thiên văn học trong nghiên cứu gần đây đã sử dụng dữ liệu từ Kính thiên văn vũ trụ Hubble quan sát cụm sao Omega Centauri – nơi nổi tiếng là cụm sao cầu sáng nhất và nặng nhất đang trôi dạt trong vùng hào quang (halo) của Ngân Hà. Cụm sao này cách Trái đất khoảng 180.000 năm ánh sáng, nơi có gần mười triệu ngôi sao tụ tập dày đặc trong phạm vi vài chục năm ánh sáng. Vào một đêm trời trong, bạn thậm chí có thể nhìn thấy nó bằng mắt thường.
Nơi này được cho là một thiên hà lùn có quy mô lớn hơn trước đây thay vì chỉ là một cụm sao thuần túy. Một thiên hà lùn từng bay quanh Ngân Hà đã bị lực hấp dẫn của Ngân Hà làm biến dạng, các ngôi sao ở rìa bị phân tán và chỉ còn lại phần nhân thiên hà với mật độ sao cao tập trung ở trung tâm. Trên thực tế, nếu so sánh thành phần hóa học của các ngôi sao trong Omega Centauri, ta thấy sự tồn tại song song của các ngôi sao có thành phần hóa học rất đa dạng. Đây là đặc điểm quan trọng thường thấy ở các thiên hà nơi các thế hệ sao khác nhau cùng tồn tại.
Trong suốt 20 năm qua, kính thiên văn Hubble đã liên tục quan sát các ngôi sao bên trong Omega Centauri. 20 năm! Đây không phải là khoảng thời gian ngắn. Với thời gian này, chúng ta hoàn toàn có thể theo dõi sự thay đổi vị trí của các ngôi sao xoay quanh trung tâm cụm sao. Thông qua dữ liệu quan sát của Hubble suốt 20 năm, các nhà thiên văn học đã xác định được 7 ngôi sao đang di chuyển trên quỹ đạo với tốc độ rất nhanh.
Đáng ngạc nhiên là những ngôi sao này di chuyển trong không gian của cụm sao với tốc độ vô cùng lớn. Đó là tốc độ đã vượt xa vận tốc thoát ly của cụm sao vốn được tính toán dựa trên khối lượng của các ngôi sao tỏa sáng trong đó! Tốc độ vượt vận tốc thoát ly có nghĩa là chúng đáng lẽ phải bay văng ra ngoài mà không bị lực hấp dẫn của cụm sao níu giữ. Thế nhưng, rõ ràng những ngôi sao này vẫn đang bị giữ chặt bởi lực hấp dẫn của cụm sao mà không hề bay ra ngoài. Điều này có nghĩa là có một lực hấp dẫn bí ẩn bổ sung, vốn không thể xác định chỉ bằng các ngôi sao sáng, đang tác động tại trung tâm cụm sao. Và nó nằm trong một phạm vi rất hẹp, thậm chí không tới vài năm ánh sáng!
Dựa trên cơ sở này, các nhà thiên văn học đã kết luận rằng tại trung tâm cụm sao Omega Centauri phải tồn tại một khối vật chất rất nặng và có mật độ cực cao. Khối lượng đó ước tính vào khoảng 8.200 lần khối lượng Mặt Trời. Chính xác là khối lượng tương ứng với mức "hạng trung" của lỗ đen khối lượng trung bình mà chúng ta vẫn tìm kiếm bấy lâu!
Tại trung tâm các cụm sao cầu, có thể tập trung các lỗ đen khối lượng sao do những ngôi sao già đã kết thúc tiến hóa để lại với mật độ cao. Các lỗ đen có quỹ đạo chồng lấp lên nhau có thể trao đổi lực hấp dẫn và cuối cùng hợp nhất thành một lỗ đen lớn hơn. Nếu điều này diễn ra thường xuyên ở trung tâm cụm sao, chúng ta hoàn toàn có thể kỳ vọng vào sự tồn tại của lỗ đen hạng trung với khối lượng gấp hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần khối lượng Mặt Trời.
Hơn nữa, quá trình này có thể diễn ra nhanh hơn nếu các lỗ đen khối lượng sao ở trung tâm cụm sao càng tập trung dày đặc. Có lẽ lý do chúng ta chưa dễ dàng phát hiện lỗ đen khối lượng trung bình là vì tốc độ tăng trưởng từ lỗ đen khối lượng sao lên lỗ đen siêu khối lượng diễn ra quá nhanh. Ngoài ra, vì phải nhìn vào tâm của các cụm sao không quá lớn nơi các ngôi sao tụ tập với mật độ cao, nên việc xác nhận sự tồn tại của lỗ đen khối lượng trung bình là rất khó khăn với các quan sát từ kính thiên văn có độ phân giải thấp trước đây.
Thông qua quan sát lần này, độ tin cậy đối với các thiên thể ứng viên lỗ đen khối lượng trung bình vốn được báo cáo rất thỉnh thoảng trước đây cũng được nâng cao hơn. Trước đó, các nhà thiên văn học đã từng bắt gặp các thiên thể ứng viên lỗ đen khối lượng trung bình nghi ngờ có khối lượng gấp 20.000 đến 100.000 lần khối lượng Mặt Trời ở trung tâm một vài thiên hà lùn. Tất nhiên, so với hàng loạt lỗ đen khối lượng sao và vô số lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà đã được phát hiện, số lượng lỗ đen khối lượng trung bình được tìm thấy (ngay cả khi tính cả các ứng viên) vẫn chỉ là một con số rất nhỏ. Chúng ta vẫn chưa thể lấp đầy hoàn toàn khoảng trống khối lượng giữa các phân bố khối lượng lỗ đen.
Trong thế giới của lỗ đen, những thứ "trung bình" không được cho phép tồn tại. Ít nhất thì đến lúc này, có vẻ là như vậy.
Tham khảo
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi dưỡng ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. 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 tại Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết sách. Anh là tác giả của các cuốn sách như "Đài thiên văn hẹn hò", "Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Sao, khoa học của ánh sáng".