[비즈한국] Một nửa vũ trụ này là những kẻ cô đơn, nhưng nửa còn lại thì có đôi có cặp. Những ngôi sao có bạn đồng hành bên cạnh được gọi là sao đôi (hệ sao nhị phân). Các cặp sao đôi rất dễ bắt gặp trong vũ trụ. Tuy nhiên, có một nơi mà việc nhìn thấy những cặp sao phổ biến này lại vô cùng khó khăn. Đó chính là khu vực xung quanh lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà.
Từ lâu, các nhà thiên văn học cho rằng trọng lực áp đảo của lỗ đen sẽ ngăn cản quá trình hình thành các ngôi sao mới xung quanh nó. Họ nghĩ rằng có thể các ngôi sao đã bị lỗ đen nuốt chửng, hoặc ngay từ đầu, đây là môi trường khắc nghiệt đến mức các đám mây khí không thể ổn định để tạo thành sao mới.
Thế nhưng, sau những quan sát bền bỉ, các nhà thiên văn học gần đây đã lần đầu tiên trong lịch sử xác nhận sự tồn tại của một cặp sao đang xoay quanh lỗ đen Sagittarius A* ở trung tâm Ngân Hà của chúng ta. Điều này không chỉ mang lại cảm giác lãng mạn rằng tình yêu giữa các cặp sao có thể vượt qua cả môi trường khắc nghiệt như lỗ đen trung tâm thiên hà, mà còn chứa đựng những khả năng đáng kinh ngạc hơn thế.
Trước hết, để hiểu môi trường xung quanh lỗ đen Sagittarius A* ở trung tâm Ngân Hà khắc nghiệt đến mức nào, chúng ta cần xem xét thế giới được phát hiện tại đó. Tại trung tâm Ngân Hà là một lỗ đen khổng lồ với khối lượng gấp 4 triệu lần Mặt Trời. Các nhà thiên văn học đã sớm phát hiện ra rằng các ngôi sao trong không gian chật hẹp chỉ cách trung tâm vài năm ánh sáng đang xoay quanh với tốc độ cực nhanh. Các ngôi sao trông như thể bị giữ chặt bởi một thiên thể rất nặng nào đó. Tuy nhiên, tại trung tâm quỹ đạo của các ngôi sao lại không thấy vật thể sáng nào. Các ngôi sao dường như bị giữ trong khoảng không đen ngòm không có gì cả. Để một khối lượng lớn như vậy tập trung trong một không gian chật hẹp đến thế, chỉ có một khả năng duy nhất: đó là lỗ đen siêu khối lượng. Nhờ nghiên cứu này, các nhà thiên văn học Andrea Ghez và Reinhard Genzel đã cùng với nhà vật lý Roger Penrose – người xác định toán học về điểm kỳ dị của lỗ đen – trở thành chủ nhân của giải Nobel Vật lý.
Kể từ đó, Sagittarius A* trở thành mục tiêu được các nhà thiên văn học săn đón. Nhiều quan sát đã được thực hiện. Thông qua đó, các cụm sao tốc độ cao, nơi khá nhiều ngôi sao xoay quanh lỗ đen như một cụm sao, bắt đầu được phát hiện. Chúng được gọi là cụm sao S. Ngoài ra, trong số đó còn có những thiên thể rất độc đáo, được gọi là thiên thể G. Thiên thể G đầu tiên được phát hiện vào năm 2005. Chúng không phải là cụm sao, cũng không hành xử như một ngôi sao đơn lẻ khổng lồ nặng nề nào cả.
Tuy nhiên, kích thước của chúng quá lớn để có thể chỉ là một ngôi sao đơn thuần. Hơn nữa, trong khi di chuyển trên quỹ đạo hình elip quanh lỗ đen Sagittarius A*, kích thước của chúng thay đổi đáng kể. Khi ở xa lỗ đen, kích thước chúng nhỏ lại và mật độ cao hơn nhiều. Ngược lại, khi tiến gần lỗ đen, kích thước chúng phình to ra và mật độ giảm đáng kể. Vì vậy, một số nhà thiên văn học cho rằng đây không đơn thuần là một ngôi sao đơn lẻ khổng lồ, mà có thể là một đám mây khí bị phình ra. Khi tiếp cận lỗ đen, trọng lực và lực thủy triều gia tăng khiến đám mây khí có thể lan rộng hơn.
Đặc điểm độc đáo là vừa trông giống một ngôi sao nhưng lại được bao bọc bởi đám mây khí lan rộng khiến người ta càng tưởng tượng về nguồn gốc của chúng một cách kịch tính hơn. Ví dụ, có khả năng thiên thể G ban đầu là một hệ sao đôi gồm hai ngôi sao kết đôi. Tuy nhiên, do liên tục chịu sự nhiễu loạn từ lỗ đen trung tâm thiên hà với lực hấp dẫn áp đảo ngay bên cạnh, quỹ đạo của hệ sao đôi cuối cùng bị xáo trộn và hai ngôi sao đã va chạm dữ dội vào nhau. Khi hai ngôi sao va chạm, đám mây khí khổng lồ lan rộng ra xung quanh, và hình ảnh đó có thể chính là thiên thể G mà chúng ta quan sát thấy ngày nay.
Cho đến nay, tổng cộng sáu thiên thể G đã được phát hiện. Đây là một giả thuyết thú vị, nhưng không ít nhà thiên văn học không hoàn toàn đồng ý. Bởi lẽ, họ cho rằng ngay từ đầu, trong tình trạng bị một "kẻ bắt nạt" trọng lực như lỗ đen án ngữ, việc hình thành một cặp sao có thể ổn định xoay quanh nhau là điều bất khả thi.
Thế nhưng cuối cùng, sự tồn tại của cặp sao đó đã được xác nhận lần đầu tiên. Phát hiện lần này thực sự rất may mắn. Trước hết, việc quan sát tỉ mỉ các ngôi sao trôi dạt quanh lỗ đen Sagittarius A* ở trung tâm Ngân Hà là một thách thức khá khó khăn. Do các ngôi sao và đám mây bụi dày đặc che khuất tầm nhìn, nên việc quan sát bằng ánh sáng khả kiến là không thể. Vì vậy, các nhà thiên văn học đã quan sát bằng bước sóng hồng ngoại để xuyên qua các đám mây bụi.
Trong phân tích lần này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu lưu trữ quan sát từ năm 2005 đến 2019 bằng kính thiên văn VLT tại Chile. 15 năm là khoảng thời gian rất đầy đủ cho nghiên cứu. Bởi vì quỹ đạo của các ngôi sao xoay quanh lỗ đen rất nhỏ và nhanh, nên chu kỳ để hoàn thành một vòng không quá dài. Ngoài ra, để phân tích chi tiết hơn, họ đã sử dụng dữ liệu từ kính thiên văn Keck ở Hawaii sau năm 2019. Đặc biệt, họ đã rà soát kỹ lưỡng dữ liệu lưu trữ được tích lũy trong thời gian dài.
Các nhà thiên văn học đã xác nhận dấu hiệu hiệu ứng Doppler rõ nét từ D9, một đốm nhỏ vốn chỉ được coi là đám mây khí phình to. D9 lặp đi lặp lại việc chuyển dịch xanh (bước sóng ngắn lại) và chuyển dịch đỏ (bước sóng dài ra). Điều này có nghĩa là hai ngôi sao đang thể hiện chuyển động tiến lại gần và rời xa Trái Đất một cách luân phiên. Nơi này không chỉ có một ngôi sao, mà là hai. Và hai ngôi sao đó, bị cuốn hút bởi trọng lực của nhau, đang khiêu vũ một điệu waltz đầy hồi hộp bên cạnh lỗ đen.
Thông qua quỹ đạo, có thể xác định khối lượng của hai ngôi sao. Các nhà thiên văn học ước tính ngôi sao nặng hơn có khối lượng gấp 2,8 lần Mặt Trời, còn ngôi sao nhẹ hơn có khối lượng bằng khoảng 73% khối lượng Mặt Trời. Hai ngôi sao này xoay quanh nhau với chu kỳ khoảng 372 ngày, tức là chỉ hơn một năm Trái Đất một chút, trong khi cùng trôi dạt bên cạnh lỗ đen.
Hiện tại, hệ sao đôi này có thể coi là hiện trường xảy ra phiên bản cực đoan của bài toán ba vật thể (tam thể). Hai ngôi sao với khối lượng lần lượt gấp 2,8 lần và 75% khối lượng Mặt Trời, bên cạnh đó là một lỗ đen siêu khối lượng nặng gấp 4 triệu lần Mặt Trời. Ba thiên thể này tương tác trọng lực lẫn nhau khiến quỹ đạo trở nên phức tạp. Đặc biệt, cơ chế khiến quỹ đạo của các cặp sao đôi bị xáo trộn khi bài toán tam thể xảy ra được gọi là cơ chế Kozai, hay cơ chế Von Zeipel-Lidov-Kozai. Kết quả mô phỏng cho thấy, không thể chịu nổi sự quấy rối của lỗ đen, hai ngôi sao này dự kiến sẽ va chạm với nhau sau 1 triệu năm nữa.
Điều thú vị hơn là tuổi đời của hệ sao đôi này chỉ mới 2,7 triệu năm. Nghĩa là, hệ sao đôi này chỉ có tổng cộng 3,7 triệu năm từ khi hình thành đến khi hai ngôi sao va chạm. Thế nhưng, trong số đó, 2,7 triệu năm đã trôi qua. Nó đã may mắn xuất hiện trước mắt chúng ta khi chỉ còn lại vỏn vẹn 1 triệu năm. Nhìn từ góc độ thiên văn học, đây thực sự là một khoảnh khắc chớp nhoáng. Đó là một sự may mắn vô cùng kịch tính. Nếu nhân loại ra đời sớm hơn một chút để quan sát vũ trụ, hoặc chậm trễ hơn một chút trong việc dựng kính thiên văn, có lẽ chúng ta đã bỏ lỡ hiện trường này.
Phát hiện này cho thấy rằng việc hình thành sao vẫn có thể xảy ra ngay cả ở xung quanh lỗ đen trung tâm thiên hà. Thậm chí, ngay cả hệ sao đôi - vốn cần duy trì quỹ đạo ổn định mới có thể tồn tại - cũng có thể hiện diện. Tất nhiên, so với các môi trường bình thường khác, quỹ đạo của chúng bị xáo trộn trong thời gian ngắn hơn nhiều, nhưng nó chứng minh rằng các cặp sao vẫn có thể cầm cự được dù chỉ trong thoáng chốc. Điều này cung cấp manh mối quan trọng về nguồn gốc của các thiên thể G quanh lỗ đen Sagittarius A*, vốn vẫn là một bí ẩn cho đến gần đây. Nó củng cố giả thuyết mà khá nhiều nhà thiên văn học không dễ dàng tin tưởng: đó là các ngôi sao tạo nên hệ sao đôi đã va chạm, khiến đám mây khí lan rộng và để lại những khối tàn dư.
Lỗ đen trung tâm thiên hà cũng là một hiện trường đau đầu nơi xảy ra vô số bài toán tam thể và đa thể (N-body problem) cùng một lúc. Và cơ chế Kozai diễn ra trong những hiện trường như vậy cung cấp manh mối quan trọng cho câu hỏi làm thế nào để một lỗ đen nặng gấp hàng triệu lần khối lượng Mặt Trời có thể được hình thành tại trung tâm thiên hà.
Dù chưa chắc chắn, nhưng chắc chắn lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà cũng từng có thời kỳ tương đối nhẹ nhàng hơn. Nếu các ngôi sao được hình thành khá nhiều quanh lỗ đen, thì những ngôi sao đó một ngày nào đó cũng sẽ kết thúc cuộc đời và để lại những lỗ đen nhỏ. Một số lỗ đen nhỏ còn lại như vậy có thể trở thành "con mồi" mới của lỗ đen trung tâm thiên hà thông qua các quá trình động học phức tạp như cơ chế Kozai. Nhờ đó, lỗ đen trung tâm thiên hà dần dần tăng kích thước và đạt đến mức độ hiện tại. Việc xác nhận sự tồn tại của hệ sao đôi tại trung tâm thiên hà và cơ chế tam thể phức tạp đang diễn ra ở đó đã giúp chúng ta phác họa rõ nét hơn về cách lỗ đen trung tâm săn đuổi con mồi.
Mặt khác, những ngôi sao khiêu vũ đầy mạo hiểm bên cạnh lỗ đen cũng cung cấp manh mối về nguồn gốc của các "ngôi sao tốc độ cao" (hypervelocity star, HVS) – những ngôi sao "tay đua" đang lao đi khắp không gian Ngân Hà với tốc độ quá mức cho phép. Nếu thay vì hai ngôi sao va chạm vào nhau, mà một trong hai bị lỗ đen nuốt chửng và ngôi sao còn lại sống sót, thì số phận của ngôi sao còn lại sẽ bị định đoạt bằng việc văng ra xa với tốc độ rất lớn. Điều này tương tự như khi bạn buộc một hòn đá vào dây, xoay tròn rồi buông tay ra. Thậm chí, trong số đó có những ngôi sao bay với tốc độ kinh hoàng lên tới 6 triệu km/giờ.
Lỗ đen, đặc biệt là lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà, là một sân khấu thử nghiệm vô cùng thú vị. Nhờ tác động của lực hấp dẫn cực đoan nhất, nó trở thành sân khấu nơi chúng ta có thể xác nhận các quá trình tiến hóa động học với sự thay đổi quỹ đạo kịch tính trong một thời gian tương đối ngắn. Ngoài ra, vì nó làm biến dạng không gian-thời gian ở mức cực đoan nhất, nên đây cũng là nơi lý tưởng để kiểm chứng thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Trong những vũ trụ hòa bình khác, tác động đó quá nhỏ để có thể nhận ra, nhưng xung quanh lỗ đen, sự vận hành của thuyết tương đối lại được thể hiện rõ ràng. Hơn nữa, lỗ đen cũng là sân khấu nơi toàn bộ khối lượng tập trung trong một phạm vi rất hẹp. Vì vậy, như Stephen Hawking đã trăn trở, lỗ đen không chỉ là vĩ mô mà còn là vi mô. Lỗ đen là sân khấu nơi vật lý vĩ mô của Newton và Einstein hòa giải với cơ học lượng tử của thế giới vi mô.
Một lần nữa, lỗ đen lại chứng minh giá trị tuyệt vời của mình với tư cách là tiền đồn và tiền tuyến cuối cùng của vật lý học.
Tham khảo
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54748-3
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi dưỡng ước mơ lan tỏa 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, Đại học Yonsei. Anh cũng tích cực tham gia các hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. 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'.