[비즈한국] Hố đen là một sự tồn tại đầy mê hoặc đối với bất kỳ ai yêu thích vũ trụ. Tuy nhiên, cá nhân tôi cho rằng cái tên "hố đen" thực sự không được đặt thỏa đáng lắm so với sự nổi tiếng của nó. Nếu dịch sát nghĩa, "Black Hole" có nghĩa là 'cái hố đen'. Nhưng thực tế, hố đen không hề 'đen'. Ngay từ đầu, hố đen không có màu sắc, bởi vì nó không tự phát ra ánh sáng. Do trọng lực quá mạnh khiến ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài, để diễn tả sự sâu thẳm, hun hút của bóng tối bị khoét sâu vào không-thời gian, người ta đã vô tình gán cho nó từ "đen". Giá như dùng một từ như "tối" (dark) để chỉ sự vắng bóng của ánh sáng thì có lẽ đã phù hợp hơn.
Chưa hết, điều đáng nói còn nằm ở chỗ này. Đúng là hố đen không tỏa sáng do trọng lực áp đảo, nhưng nếu nói nó hoàn toàn không phát ra ánh sáng thì cũng không hẳn. Nói chính xác thì bản thân hố đen tuy tối tăm, nhưng vật chất xung quanh bị trọng lực của nó bắt giữ lại bị nung nóng đến nhiệt độ cực cao, từ đó có thể tỏa sáng. Hơn nữa, các hạt được gia tốc bởi từ trường mạnh mẽ xung quanh hố đen cũng phát ra những tia sáng kỳ ảo. Do quá dữ dội, chúng giải phóng nguồn năng lượng cao cực mạnh dưới dạng tia X và tia gamma, vượt xa cả ánh sáng khả kiến. Mặc dù được đặt tên là hố đen với ý nghĩa không thể phát sáng, nhưng thực chất nó lại là thực thể phát ra ánh sáng mạnh nhất trong vũ trụ. Tôi nghĩ rằng ngay từ cái tên, hố đen đã là một sự tồn tại đầy mâu thuẫn và bí ẩn.
Gần đây, kính viễn vọng không gian James Webb đã bắt được một luồng sáng rất thú vị từ Sagittarius A*, hố đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm Ngân Hà của chúng ta. Hố đen không chỉ tỏa ra ánh sáng năng lượng cao mà thứ ánh sáng đó còn nhấp nháy! Các nhà thiên văn học gọi hiện tượng này là 'Sự nhấp nháy của hố đen (Blackhole’s flickering)'.
Trước hết, chúng ta cần hiểu làm thế nào mà nguồn ánh sáng năng lượng cao mạnh nhất vũ trụ lại có thể cùng tồn tại với sự tối tăm sâu thẳm nhất. Cơ chế chính xảy ra tại đĩa bồi tụ bao quanh hố đen. Nếu xung quanh hố đen có "con mồi" ngon lành, chẳng hạn như đám mây khí hoặc các ngôi sao, chúng sẽ dần bị hút vào bởi trọng lực mạnh mẽ. Càng đến gần hố đen, tốc độ càng tăng nhanh. Nếu chưa rơi vào bên trong chân trời sự kiện, các vật chất quay quanh với tốc độ đủ lớn có thể chịu được trọng lực và duy trì quỹ đạo. Lúc này, các vật chất quay nhanh va chạm vào nhau, sinh ra ma sát và trở nên cực kỳ nóng. Nó nóng đến mức vượt xa nhiệt độ bề mặt của những ngôi sao thông thường như Mặt Trời. Đó là lý do tại sao tia X được quan sát thấy ở đĩa bồi tụ. Từ lâu, qua quan sát tia X, người ta cũng đã phát hiện ra một thứ gì đó đáng sợ ở trung tâm Ngân Hà, hướng chòm sao Nhân Mã, đang ngấu nghiến nuốt chửng vật chất xung quanh.
Vì đĩa bồi tụ vừa phát ra tia X rõ rệt, vừa quay với tốc độ cao, nên chúng ta có thể dễ dàng xác định được sự tồn tại và thậm chí là khối lượng của hố đen. Điều này là do hiệu ứng Doppler: khi đĩa quay, một phần tiến lại gần phía chúng ta và một phần di chuyển ra xa, làm bước sóng ánh sáng quan sát được thay đổi. Tận dụng điều này, ta có thể nắm bắt được tốc độ quay của đĩa bồi tụ bị giam giữ bởi trọng lực hố đen, và khối lượng của chính hố đen trung tâm đang giữ đĩa đó.
Tuy nhiên, tia X từ đĩa bồi tụ không phải là tất cả ánh sáng phát ra từ hố đen. Với các hố đen siêu khối lượng tại trung tâm thiên hà có nhiều "thức ăn" xung quanh, càng đi ra xa hố đen, chúng ta càng có thể bắt gặp những cấu trúc phức tạp và đa dạng hơn. Ở phía ngoài đĩa bồi tụ là những đám mây bụi bao quanh theo hình chiếc bánh donut với mật độ cao hơn. Đám mây bụi bao quanh hố đen và đĩa bồi tụ này hấp thụ một phần tia X rồi trở nên ấm lên. Sau đó, chúng tái phát xạ ánh sáng đó dưới dạng tia hồng ngoại với mức năng lượng thấp hơn. Nhờ đó, quang phổ tổng thể của hố đen được quan sát trở nên phong phú hơn.
Yếu tố quyết định tia X bị che khuất bao nhiêu và ánh sáng từ đám mây bụi ấm kia được quan sát thấy bao nhiêu khá đơn giản. Đó chính là độ nghiêng của đĩa và đám mây bụi quanh hố đen khi nhìn từ Trái Đất. Nếu nhìn từ bên cạnh, chúng ta sẽ thấy đĩa bồi tụ và tia X ở trung tâm bị che khuất đáng kể. Ngược lại, nếu nhìn từ phía trên xuống, chúng ta có thể thấy rõ tia X mạnh mẽ mà gần như không bị che chắn.
Đã từng có thời điểm người ta coi các hố đen trung tâm thiên hà có hình dạng quang phổ khác nhau là những hố đen riêng biệt với cơ chế khác nhau. Nhưng giờ đây, chúng ta biết đó chỉ là vấn đề góc nhìn, và ta nhìn nhận các hố đen trung tâm thiên hà dưới một bức tranh thống nhất.
Cuối cùng, có một loại ánh sáng thú vị khác phát ra từ hố đen. Những hố đen quay nhanh hình thành nên từ trường cực mạnh dọc theo trục quay của chúng. Sau đó, do nhiệt độ nóng của đĩa bồi tụ, các hạt ion hóa di chuyển xoắn ốc theo từ trường và được gia tốc đến tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Khi các hạt được gia tốc, chúng phát ra ánh sáng. Ánh sáng này được quan sát trên một dải bước sóng rộng từ tia X đến tia hồng ngoại, hiện tượng này được gọi là bức xạ synchrotron.
Kính viễn vọng không gian James Webb về cơ bản nhìn vũ trụ bằng tia hồng ngoại. Trong số các loại ánh sáng phát ra từ hố đen, nó chỉ nhìn thấy tia hồng ngoại. Từ năm 2023 đến 2024, các nhà thiên văn học đã quan sát độ sáng rò rỉ từ hố đen Sagittarius A* ở trung tâm Ngân Hà tại hai bước sóng hồng ngoại là 2,1μm và 4,8μm. Tổng thời gian quan sát tích lũy là khoảng 48 giờ. Để so sánh công bằng sự thay đổi độ sáng biến động của hố đen, họ đã lấy hai ngôi sao xuất hiện trong cùng tầm nhìn làm ngôi sao tham chiếu. Dựa trên hai ngôi sao có độ sáng gần như cố định này trong suốt thời gian quan sát, họ có thể tiêu chuẩn hóa cường độ ánh sáng quanh hố đen thu được tại mỗi khoảnh khắc.
Biểu đồ trên cho thấy kết quả thú vị. Đường màu xanh là sự thay đổi quan sát được ở bước sóng 2,1μm (năng lượng cao hơn), còn đường màu đỏ là sự thay đổi ở bước sóng 4,8μm (năng lượng thấp hơn). Đường màu đen là mẫu hình thay đổi độ sáng ổn định của các ngôi sao tham chiếu. So sánh với các ngôi sao này, rõ ràng sự biến động độ sáng kia là thay đổi thực tế diễn ra quanh hố đen Sagittarius A*. Ngoài các mô hình biến động nhỏ, chúng ta cũng có thể thấy các hiện tượng như pháo sáng (flare) khi độ sáng đột ngột tăng mạnh rồi giảm xuống.
Các nhà thiên văn học đã tiến xa hơn một bước. Khi so sánh đường màu xanh và đỏ, có thể thấy một mẫu hình thú vị trong tất cả dữ liệu. Đường màu xanh luôn đạt đỉnh trước, sau đó là đường màu đỏ với một khoảng thời gian trễ. Tức là ánh sáng có năng lượng cao hơn, bước sóng ngắn hơn sẽ nhấp nháy trước, tiếp theo đó khoảng 30~40 giây là ánh sáng bước sóng dài hơn nhấp nháy.
Các nhà thiên văn học giải thích sự biến động độ sáng lớn nhỏ được xác nhận ở hai bước sóng hồng ngoại theo hai cách chính. Một là biến động diễn ra ngay tại đĩa bồi tụ. Mật độ của đĩa bồi tụ, nơi chứa "con mồi" mà hố đen nuốt chửng, không bao giờ đồng nhất. Có những phần mật độ cao hơn và nhiệt độ nóng hơn. Khi đĩa bồi tụ không đồng đều này quay nhanh và phát sáng, nó tạo ra những biến động cường độ ánh sáng thay đổi theo từng khoảnh khắc ở mức độ tương đối nhỏ.
Ngoài ra, từ trường hình thành mạnh mẽ quanh hố đen có thể là nguyên nhân gây ra các pháo sáng dữ dội hơn. Điều này tương tự như khi pháo sáng bùng nổ trên Mặt Trời. Các bó từ trường quanh hố đen tái kết nối và liên kết với nhau, khiến một lượng lớn hạt bị bắn ra ngoài trong tích tắc. Quá trình này là một hiện tượng bùng nổ cực mạnh. Vì vậy, sự khác biệt về độ sáng theo bước sóng không lớn. Nó được quan sát thấy như những tia sáng cực chói ở cả hai bước sóng 2,1μm và 4,8μm. Các nhà thiên văn học suy đoán rằng việc độ sáng tại hai bước sóng gần như không chênh lệch vào khoảnh khắc pháo sáng cực đại cũng củng cố cho giả thuyết này.
Như vậy, hố đen thực tế là một thực thể biến động rất dữ dội. Thoạt nghĩ, có thể bạn cảm thấy hố đen giống như một thực thể nhàm chán, lặng lẽ nằm trong bóng tối, nhưng thực tế hoàn toàn ngược lại. Hố đen là thực thể hỗn loạn nhất trong vũ trụ, thậm chí phun ra những tia sáng chói lòa như pháo sáng Mặt Trời. Để hiểu rõ hơn về hình ảnh biến động theo từng khoảnh khắc của hố đen, cần phải theo dõi không rời mắt trong thời gian dài hơn. Vì vậy, các nhà thiên văn học dẫn đầu nghiên cứu này đã mạnh dạn yêu cầu thêm thời gian sử dụng kính James Webb. Đó là 24 giờ liên tục, mắt của James Webb sẽ không nghỉ ngơi mà chỉ nhìn chằm chằm vào hố đen Sagittarius A*. Nếu quan sát này kết thúc thuận lợi, chúng ta sẽ có thể nắm bắt được những gì đang diễn ra quanh hố đen suốt cả ngày mà không bị gián đoạn.
Ngày mà chúng ta được chiêm ngưỡng "chương trình truyền hình thực tế" hạng nặng nhất vũ trụ, nơi lén lút theo dõi mọi cử động của hố đen trung tâm Ngân Hà, không còn xa nữa.
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ada88b
https://www.stsci.edu/jwst/phase2-public/3559.pdf
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi xem 'Galaxy Express 999' lúc nhỏ, 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 sơ khai, Đại học Yonsei, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như giảng dạy 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'.