[비즈한국] Nếu nhìn qua bằng ánh sáng khả kiến, thiên hà Hercules A trông giống như một thiên hà elip bình thường với các ngôi sao tập trung thành khối tròn đầy. Tuy nhiên, sức hấp dẫn thực sự của thiên hà này chỉ lộ diện khi quan sát ở dải sóng vô tuyến. Khi thêm các kết quả quan sát vô tuyến, chúng ta sẽ phát hiện ra một cấu trúc độc đáo kéo dài về cả hai phía, vươn ra tận bên ngoài thiên hà. Đây là dấu vết để lại do hố đen ẩn chứa trong thiên hà hoạt động mạnh mẽ, phun ra các luồng tia năng lượng cực mạnh về hai phía. Chỉ riêng quy mô của các tia hố đen này đã lên tới một triệu năm ánh sáng. Những thiên hà chứa hố đen phun ra các luồng tia năng lượng mạnh mẽ có thể quan sát được bằng sóng vô tuyến như vậy được gọi là thiên hà vô tuyến. Dấu vết này có quy mô khổng lồ, vượt ra khỏi phạm vi toàn bộ thiên hà, nhưng giờ đây quy mô đó chỉ được coi là "nhỏ bé" mà thôi.
Đáng ngạc nhiên là gần đây, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một thiên hà phun ra các luồng tia năng lượng với quy mô khổng lồ, tổng chiều dài lên tới 23 triệu năm ánh sáng. Đây thực sự là một quy mô khủng khiếp, cần phải xếp 140 dải Ngân hà của chúng ta nối tiếp nhau mới lấp đầy được. Khó có thể tin rằng đây là dấu vết do một hố đen nằm tại trung tâm của một thiên hà duy nhất để lại. Nó gần như tương đương với quy mô của các sợi dây trong cấu trúc khổng lồ của vũ trụ, nơi các thiên hà nối dài với nhau!
Thực tế, các nhà thiên văn học không hề có ý định tìm kiếm những thiên hà vô tuyến quái vật như thế này ngay từ đầu. Ban đầu, họ đang thực hiện công việc quét toàn bộ vũ trụ bằng sóng vô tuyến ở dải tần số thấp để vẽ bản đồ các sợi dây của thiên hà trong cấu trúc khổng lồ của vũ trụ. Tất nhiên, việc các thiên hà chứa hố đen bạo liệt phun ra các luồng tia năng lượng khổng lồ về hai phía tồn tại ở khắp nơi trong vũ trụ đã được biết đến, nhưng họ nghĩ rằng số lượng của chúng sẽ không nhiều đến thế. Tuy nhiên, kết quả quan sát từ LOFAR đã tiết lộ rằng có tới 8.000 thiên hà phun ra các luồng tia năng lượng mạnh mẽ đang ẩn mình.
Trong số đó, có một hiện trường phun ra các luồng tia với quy mô vượt trội. Tổng quy mô của nó lên tới 23 triệu năm ánh sáng! Đây thực sự là quy mô ở tầm cấu trúc khổng lồ của vũ trụ. Các nhà thiên văn học đã đặt tên cho thực thể phun ra các luồng tia vô tuyến khổng lồ này là "Porphyrion", một trong những cái tên của gã khổng lồ Titan trong thần thoại. Trước khi Porphyrion được phát hiện, thiên hà vô tuyến có quy mô lớn nhất là Alcyoneus, được cùng nhóm nghiên cứu này phát hiện vào năm 2022. Thế nhưng, kỷ lục đó đã bị phá vỡ bởi chính nhóm nghiên cứu này.
Các nhà thiên văn học, những người khó có thể tin vào sự tồn tại của các luồng tia năng lượng khổng lồ như vậy, đã phối hợp với kính thiên văn vô tuyến GMRT của Ấn Độ và nhóm quan sát dự án DESI - dự án đang đo khoảng cách đến các thiên hà xa xôi trên toàn vũ trụ và vẽ bản đồ để làm sáng tỏ bản chất của năng lượng tối - để xác định xem ai là thiên hà đang phun ra các luồng tia khổng lồ này. Thủ phạm chính là một thiên hà khổng lồ có khối lượng gấp 10 lần Dải Ngân hà. Thiên hà này cách chúng ta 7,5 tỷ năm ánh sáng. Nói cách khác, nó lưu giữ diện mạo của vũ trụ khi mới 6,3 tỷ năm tuổi. Xét rằng vũ trụ hiện nay đã 13,8 tỷ năm tuổi, thì đây là một thiên hà còn rất trẻ, chưa bằng một nửa tuổi đời của toàn vũ trụ.
Việc một thiên hà hoạt động mạnh mẽ ngay từ vũ trụ sơ khai và để lại các luồng tia vô tuyến khổng lồ cho thấy rằng, rất có thể những thiên hà vô tuyến có quy mô lớn như vậy đang ẩn mình đầy đủ khắp nơi trong cấu trúc khổng lồ của vũ trụ, chỉ là chúng ta chưa phát hiện ra mà thôi.
Trong một thời gian dài, các nhà thiên văn học cho rằng dù luồng tia do hố đen trung tâm thiên hà phun ra có dữ dội đến đâu, quy mô của nó cũng khó có thể vượt quá 5 triệu năm ánh sáng. Lý do là vì khi luồng tia vươn xa, cường độ của nó sẽ yếu dần, và do va chạm với các hạt khí khác lấp đầy khoảng không gian giữa các thiên hà bên ngoài, nó sẽ dần mất năng lượng và phân tán ra khắp nơi. Tuy nhiên, các luồng tia vô tuyến từ thiên hà Porphyrion được xác nhận lần này phun ra với quy mô khủng khiếp hơn 20 triệu năm ánh sáng, đủ để xuyên thủng các sợi dây của cấu trúc khổng lồ vũ trụ. Tại sao các luồng tia năng lượng có quy mô khổng lồ như vậy lại không bị phân tán mà có thể phun thẳng thành một đường thẳng về hai phía?
Một khả năng là tình cờ thay, hướng mà các luồng tia hố đen này phun ra lại có một "khoảng trống" (void) rất lớn và trống rỗng, nơi hầu như không có thiên hà nào tồn tại. Nếu luồng tia phun về phía sợi dây của cấu trúc khổng lồ vũ trụ, nó đã bị phân tán từ lâu do va chạm với các thiên hà và vật chất khí khác, nhưng nhờ phun vào khoảng trống khổng lồ vắng lặng đó, nó có thể tiếp tục lan xa mà không bị mất năng lượng. Tuy nhiên, dù vậy, để các luồng tia duy trì được quy mô khổng lồ như thế này, hố đen trung tâm thiên hà chắc hẳn đã phải không ngừng "ăn" liên tục trong hơn hàng tỷ năm và phun ra năng lượng mạnh mẽ về mọi phía. Thế nhưng, việc làm sao hố đen có thể không tiêu thụ hết thức ăn trong hơn hàng tỷ năm mà vẫn tiếp tục phun ra năng lượng vẫn là một bí ẩn chưa có lời giải.
Các luồng tia năng lượng của hố đen là công cụ tốt để truy vết luồng từ trường liên thiên hà trải rộng trong cấu trúc khổng lồ của vũ trụ có quy mô hàng trăm triệu năm ánh sáng. Bởi vì dòng chảy của các hạt mang điện tích cuối cùng sẽ chảy dọc theo từ trường trong không gian vũ trụ. Các luồng tia hố đen vươn dài về hai phía trở thành một loại la bàn vũ trụ. Mặc dù thường bị bỏ qua, nhưng thực tế từ trường cũng là một trong những yếu tố đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình thiên hà được hình thành và cấu trúc khổng lồ của vũ trụ được dựng lên. Cuối cùng, đó là bởi vì tất cả các hạt tồn tại trong không gian vũ trụ đều mang điện tích. Giống như việc rắc mạt sắt xung quanh nam châm để nắm bắt hình dạng và sự phân bố của từ trường xung quanh, thông qua các luồng tia của hố đen và hình dạng các dấu vết lan tỏa của chúng, chúng ta có thể xác nhận sự tồn tại của từ trường đã tạo nên khung xương của cấu trúc khổng lồ vũ trụ.
Bạn có thể đã từng xem các đoạn video mô phỏng vũ trụ đa dạng, hiện thực hóa một cách rực rỡ quá trình các hạt sơ khai trong vũ trụ vốn nằm rải rác ngẫu nhiên ngay sau vụ nổ Big Bang, khi chảy dọc theo lực hấp dẫn của nhau và từ trường của không gian vũ trụ xung quanh, dần dần tăng mật độ và tạo thành các thiên hà. Bạn có thể nghĩ rằng đó chỉ là những hình ảnh động được tạo ra cho đẹp mắt, nhưng hoàn toàn không phải vậy. Tất cả đều là kết quả trực quan hóa từ các kết quả tính toán nghiêm ngặt được thực hiện trên siêu máy tính trong vài tháng đến vài năm. Nếu thực hiện những tính toán này trên máy tính xách tay thông thường mà chúng ta sử dụng, sẽ mất gần 2.000 năm.
Trong quá trình mô phỏng vũ trụ được thực hiện theo cách này, luôn có một cảnh thú vị không bao giờ thiếu. Đó là hình ảnh một năng lượng mạnh mẽ như thể có thứ gì đó đang phát nổ từ mọi phía trong những thiên hà nặng nề nằm ở các nút thắt của cấu trúc khổng lồ vũ trụ với mật độ cao. Đó chính là dấu vết của các thiên hà chứa hố đen, những thứ đã phun ra năng lượng mạnh mẽ về mọi phía trong khi "ăn uống" một cách sung mãn vào thời kỳ vũ trụ sơ khai. Khi một lượng lớn vật chất khí đổ dồn về phía hố đen trung tâm thiên hà trong nháy mắt, hố đen đã "ăn uống quá độ" và phun năng lượng ra mọi phía một cách tròn trịa. Và trong khoảnh khắc đó, mật độ khí hoặc sự phân bố nhiệt độ xung quanh thay đổi hoàn toàn. Quá trình này rất quan trọng trong sự tiến hóa của toàn bộ vũ trụ. Không chỉ thiên hà vừa trải qua cú "thở mạnh" đó, mà các thiên hà láng giềng vô tình trúng phải cú thở mạnh trực diện đó cũng nhanh chóng mất đi vật chất khí mà chúng đang tích trữ. Một thiên hà đột nhiên mất đi vật chất khí tươi mới giờ đây trở thành một thiên hà không còn sức sống, không thể tạo ra các ngôi sao mới nữa.
Khi nghiên cứu về sự tiến hóa của thiên hà, tôi thường nhận được câu hỏi này: Giống như các ngôi sao kết thúc cuộc đời bằng vụ nổ siêu tân tinh sau khi hoàn thành quá trình tiến hóa, liệu các thiên hà có bao giờ chết hoặc phát nổ không? Xét một cách nghiêm ngặt, khác với các ngôi sao đơn lẻ, bản thân thiên hà không trải qua vụ nổ tung như vậy. Và không giống như các ngôi sao, thiên hà cũng không biến mất chỉ vì nó già đi. Chỉ là theo thời gian, khả năng tạo ra các ngôi sao mới giảm dần và cả thiên hà dần trở nên tối tăm, yếu ớt và già cỗi. Tuy nhiên, nếu chúng ta chấp nhận định nghĩa về từ "nổ" một cách bao dung hơn thì sao? Ví dụ, nếu định nghĩa đó là một hiện tượng phát ra năng lượng mạnh mẽ trong nháy mắt trên các bước sóng đa dạng như vô tuyến, ánh sáng khả kiến, hồng ngoại, tử ngoại, thì thiên hà cũng hoàn toàn có thể phát nổ. Bởi vì hoạt động mạnh mẽ của hố đen ở trung tâm thiên hà có thể gây phiền nhiễu cho mọi phía và để lại dấu vết.
Liệu hố đen trung tâm thiên hà có thể vươn xa đến mức nào? Và những hoạt động này đã gây ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc khổng lồ của vũ trụ và từng thiên hà sống trong đó? Chúng ta đã có một chiếc la bàn mới là các luồng tia hố đen, thứ có thể truy vết trực tiếp từ trường vũ trụ vốn là một vùng bí ẩn trong suốt thời gian dài. Nhân loại đang tận dụng điều đó để tìm kiếm những manh mối.
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi 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 cận kề của Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện nhiều hoạt động truyền thông khoa học khác nhau như diễn thuyết và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như "Đài thiên văn hẹn hò", "Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Sao, khoa học của ánh sáng",...