[비즈한국] Có rất nhiều bí ẩn về hố đen, nhưng một trong những điều thú vị nhất đối với các nhà thiên văn học là việc hố đen dường như 'không có kích thước trung bình'. Nếu coi hố đen là cà phê đen, thì số phận của chúng ta khi đối mặt với nó là cực đoan: hoặc là quá ít đến mức không thể giải khát, hoặc là quá nhiều đến mức no căng bụng. Hố đen trong vũ trụ chỉ có hai loại, hoặc là quá nhẹ hoặc là quá nặng. Những khối lượng mập mờ ở giữa vẫn là thứ gì đó rất khó nhìn thấy.
Trong thế giới hố đen, những hố đen nhẹ được gọi là hố đen khối lượng sao. Khối lượng của chúng nhiều nhất cũng chỉ gấp khoảng 20~30 lần khối lượng Mặt Trời. Đây là những hố đen được hình thành khi các ngôi sao nặng ngừng phản ứng nhiệt hạch và sụp đổ. Ngược lại, những hố đen nặng được gọi là hố đen siêu khối lượng. Chúng chứa đựng khối lượng gấp hàng triệu, thậm chí hàng trăm triệu lần khối lượng Mặt Trời và thường nằm ở trung tâm các thiên hà. Hầu hết các hố đen được phát hiện trong vũ trụ chỉ tồn tại ở hai dạng này. Dù có khả năng tồn tại những hố đen khối lượng trung bình ở giữa, nhưng chúng gần như không bao giờ lộ diện.
Những hố đen quy mô trung bình bị "mất tích" trong vũ trụ này được gọi là hố đen khối lượng trung bình (IMBH, Intermediate-mass black hole). Việc chúng đã biến đi đâu, hay liệu trong lịch sử vũ trụ ngay từ đầu có tồn tại những hố đen loại trung bình này hay không, vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của thiên văn học. Đây là một mắt xích quan trọng còn thiếu trong quá trình tăng trưởng của hố đen, từ những hố đen nhỏ đến những hố đen khổng lồ.
Chính vì vậy, việc tìm ra một hố đen khối lượng trung bình được coi là một thành tựu vô cùng quan trọng. Gần đây, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một hố đen khối lượng trung bình mới. Thông qua kính thiên văn không gian Chandra, một thực thể đáng ngờ phát ra ánh sáng tia X đã được tìm thấy ở ngoại vi thiên hà hình elip NGC 6099, cách xa 450 triệu năm ánh sáng. Kính thiên văn Hubble đã phát hiện ra rằng thực thể này nằm trong một cụm sao, nơi các ngôi sao tụ tập dày đặc. Các nhà thiên văn học cho rằng đây chính là hố đen khối lượng trung bình mà họ đã dày công tìm kiếm. Tại sao hố đen khối lượng trung bình lại khó tìm đến vậy? Việc chúng gần như không tồn tại trong vũ trụ đang cho chúng ta biết điều gì?
Hố đen thể hiện một mối quan hệ đáng kinh ngạc với thiên hà mà nó cư ngụ. Nếu so sánh tổng khối lượng các ngôi sao ở trung tâm thiên hà với khối lượng của hố đen nằm trong đó, chúng tỉ lệ với nhau một cách gọn gàng đến khó tin. Khối lượng của hố đen chỉ chiếm khoảng 1/1000 khối lượng phần trung tâm thiên hà. Mặc dù rất nhỏ so với tổng khối lượng thiên hà, nhưng hầu hết mọi thiên hà đều tuân theo tỉ lệ này một cách nhất quán. Nếu thiên hà nặng gấp đôi thì hố đen trong đó cũng nặng gấp đôi. Điều này gợi ý rằng hố đen có mối liên hệ mật thiết với sự ra đời và tiến hóa của toàn bộ thiên hà.
Nếu khối lượng trung tâm thiên hà và khối lượng hố đen tỉ lệ thuận với nhau, thì việc tìm kiếm nơi có hố đen khối lượng trung bình có vẻ không khó. Chỉ cần tìm đến những thiên hà nhỏ hơn, thiên hà lùn và các cụm sao cầu, thì tự nhiên chúng ta có thể tiến gần đến khối lượng của các hố đen khối lượng trung bình sống ở trung tâm chúng. Trên thực tế, đến nay các nhà thiên văn học vẫn đang bền bỉ chơi trò trốn tìm với hố đen khối lượng trung bình trong các thiên hà lùn và cụm sao cầu. Đôi khi, thông qua chuyển động của các ngôi sao trong một vài cụm sao cầu lớn, người ta cũng xác định được manh mối về hố đen khối lượng trung bình có khối lượng gấp hàng ngàn đến hàng chục ngàn lần Mặt Trời.
Tuy nhiên, việc chứng minh chính xác danh tính của hố đen khối lượng trung bình lại rất khó khăn. Trớ trêu thay, chúng ta lại không có chiếc cân nào để đo hố đen khối lượng trung bình. Ngược lại, đối với những hố đen khối lượng sao nhẹ hơn nhiều, giờ đây chúng ta có thể suy đoán khối lượng của chúng khá chính xác thông qua các máy dò sóng hấp dẫn như LIGO. Khi hai hố đen va chạm và tạo ra các rung động trong không thời gian, việc phát hiện sóng hấp dẫn cho phép chúng ta biết được hai hố đen đó nặng bao nhiêu.
Thế nhưng, với các máy dò sóng hấp dẫn hiện có, việc xác định khối lượng của các hố đen khối lượng trung bình (nặng hơn một chút) lại rất khó khăn. Đó là vì bước sóng của sóng hấp dẫn tỉ lệ thuận với khối lượng của hố đen. Bản thân LIGO đã là một máy dò khổng lồ với chiều dài mỗi cạnh lên tới 4km. Nhờ quy mô đó, nó mới có thể phát hiện được những rung động nhỏ do hố đen khối lượng sao để lại. Để phát hiện hố đen khối lượng trung bình nặng hơn gấp hàng ngàn lần, cần có một máy dò lớn và nhạy hơn nhiều. Trên thực tế, cần một máy dò lớn hơn cả Trái Đất, điều đó là không thể thực hiện được.
Vậy tại sao không tận dụng kinh nghiệm từ hố đen siêu khối lượng thay vì hố đen khối lượng sao? Theo truyền thống, khối lượng hố đen trung tâm thiên hà được suy luận thông qua chuyển động của các ngôi sao ở vùng trung tâm đó. Bằng cách xác định tốc độ các ngôi sao quay quanh trung tâm thiên hà, ta có thể nắm bắt được lực hấp dẫn của hố đen trung tâm đang giữ các ngôi sao đó, từ đó cân đo được khối lượng hố đen.
Nhưng hố đen khối lượng trung bình vẫn khó bị phát hiện bằng phương pháp này. Như đã nói, chỉ những cụm sao cầu mới có thể chứa hố đen khối lượng trung bình, nhưng các cụm sao có mật độ sao quá cao và kích thước lại quá nhỏ. Vì vậy, rất khó để đo chính xác chuyển động của các ngôi sao đang tập trung dày đặc trong thể tích nhỏ bé đó. Hơn nữa, vì các ngôi sao tụ tập quá gần nhau, không chỉ có hiệu ứng trọng lực từ hố đen mà còn xảy ra "bài toán N-vật thể" rất phức tạp giữa các ngôi sao lân cận, khiến việc tính toán trở nên rắc rối hơn.
Nếu hố đen đang "ăn" các ngôi sao và vật chất khí xung quanh, đó sẽ là một trợ giúp lớn. Bản thân hố đen không phát ra ánh sáng, nhưng trong quá trình nuốt chửng các ngôi sao xung quanh, tàn dư của chúng sẽ tạo thành một đĩa bồi tụ tỏa sáng rực rỡ khi xoay quanh hố đen. Đĩa bồi tụ bị đốt nóng sẽ phát ra tia X mạnh, và thông qua độ sáng của tia X này, chúng ta có thể biết được sức mạnh của hố đen bên trong.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng không mấy hiệu quả với các hố đen khối lượng trung bình trong cụm sao cầu. Các cụm sao cầu chỉ tập trung những ngôi sao già đã tiến hóa xong xuôi, gần như không còn vật chất khí tươi. Vì thế, ngay cả khi có hố đen ở tâm cụm sao, nó cũng chẳng có gì để ăn. Ngay cả khi có hố đen khối lượng trung bình ở đó, chúng vẫn sẽ luôn trong tình trạng đói khát. Vì không phát ra tia X đáng kể, việc quan sát bằng tia X để bắt giữ và ước tính khối lượng hố đen khối lượng trung bình là rất khó khăn.
Thay vì tâm thiên hà, tìm kiếm ở vùng rìa thiên hà vẫn tốt hơn. Ngay cả khi có hố đen khối lượng trung bình ở tâm thiên hà, thì tại đó cũng đã có một hố đen siêu khối lượng to lớn và mạnh mẽ hơn nhiều. Những dấu vết mờ nhạt mà hố đen khối lượng trung bình có thể để lại sẽ bị nhấn chìm bởi sự áp đảo của hố đen siêu khối lượng ở tâm. Vì vậy, tốt nhất là nên tìm xem có thiên thể nào phát ra tia X mạnh mẽ ở rìa thiên hà thay vì ở trung tâm.
Trong thiên văn học, những thiên thể như vậy được gọi là HLX (Hyper-Luminous X-ray source - nguồn tia X siêu sáng). Điển hình là HLX-1 được phát hiện vào năm 2009 trong thiên hà ESO 243-49 cách xa khoảng 290 triệu năm ánh sáng. Ở một vị trí hơi lệch ra ngoài đĩa của thiên hà ESO 243-49 (vốn nằm nghiêng khá phẳng), có một thiên thể phát ra tia X rất rõ nét. Các nhà thiên văn học ước tính rằng thiên thể đó là một hố đen khối lượng trung bình, nặng gấp khoảng 20.000 lần khối lượng Mặt Trời.
Gần đây, một phát hiện tương tự lại tiếp tục được ghi nhận. Đó là một HLX-1 khác được tìm thấy trong thiên hà NGC 6099. Lần này, nó cũng được tìm thấy ở rìa thiên hà thay vì trung tâm. Bằng cách phân tích dữ liệu khổng lồ quan sát từ năm 2009 đến 2023 bằng kính thiên văn không gian tia X Chandra, các nhà khoa học xác nhận rằng ánh sáng tia X sáng rõ vẫn liên tục phát ra từ cùng một vị trí. Đặc biệt, các quan sát sau đó bằng kính thiên văn Hubble đã xác nhận rằng tại nơi này thực sự có một cụm sao cầu với mật độ sao cao. Xác suất hố đen khối lượng trung bình ẩn náu ở đây là rất cao.
Điều kỳ lạ là độ sáng tia X đã thay đổi liên tục trong suốt thời gian quan sát. Sau khi được phát hiện lần đầu vào năm 2009, nó sáng nhất vào năm 2012 và mờ dần đi khi sang năm 2023. Các nhà thiên văn học cho rằng đây là quá trình hố đen khối lượng trung bình nuốt chửng một ngôi sao đi ngang qua. Ngôi sao bị xé nát và trở thành thức ăn cho hố đen, đặc biệt năm 2012 là thời điểm diễn ra "bữa ăn" mãnh liệt nhất. Hố đen khối lượng trung bình ẩn nấp tại đây ước tính có khối lượng gấp từ 1.000 đến 10.000 lần khối lượng Mặt Trời. Nó nằm đúng trong khoảng "mắt xích còn thiếu" của thế giới hố đen mà chúng ta đang tìm kiếm.
Những nhà thiên văn học ủng hộ kịch bản phát triển hố đen – vốn cho rằng các hố đen nhỏ tụ tập lại để cuối cùng phát triển thành hố đen siêu khối lượng – tin rằng hố đen khối lượng trung bình chính là giai đoạn trung gian đó. Họ suy đoán rằng lý do hố đen khối lượng trung bình khó được phát hiện trong vũ trụ là vì thời gian tồn tại ở giai đoạn trung gian đó tương đối ngắn. Nói cách khác, tốc độ phát triển từ hố đen khối lượng sao nhỏ thành hố đen siêu khối lượng diễn ra nhanh hơn dự kiến. Vì nó tăng trưởng quá nhanh nên rất khó để bắt gặp khoảnh khắc nó dừng chân ở giai đoạn trung gian. Từ góc độ này, hố đen khối lượng trung bình là ngọn núi bắt buộc phải vượt qua để hiểu được cách các "hạt giống" của thiên hà ra đời và tăng trưởng kích thước như thế nào.
Chúng ta vẫn chưa biết liệu các hố đen khối lượng sao nhỏ có thực sự hợp nhất thành hố đen khối lượng trung bình hay không. Nhưng ít nhất nếu nhìn vào quá trình các thiên hà lùn nhỏ va chạm với nhau, thì việc các hố đen khối lượng trung bình hợp nhất để phát triển thành hố đen siêu khối lượng lớn hơn là hoàn toàn có khả năng. Nếu vậy, lý do hố đen khối lượng trung bình không xuất hiện trong vũ trụ xung quanh chúng ta có thể là vì ở vũ trụ gần chúng ta, quá trình tăng trưởng thành hố đen siêu khối lượng hầu như đã hoàn tất. Do đó, để tìm thêm nhiều hố đen khối lượng trung bình, chúng ta phải tìm kiếm ở vùng vũ trụ xa xôi trong quá khứ, nơi mà quá trình tăng trưởng vẫn đang diễn ra mạnh mẽ.
Tất nhiên, khoảng cách càng xa thì những dấu vết mờ nhạt mà hố đen khối lượng trung bình để lại sẽ càng khó quan sát hơn. Đây sẽ là mục tiêu tốt để nhắm đến bằng kính thiên văn James Webb. "Chấm đỏ nhỏ" (LRD - Little Red Dot) - những điểm mờ nhạt mà James Webb liên tiếp phát hiện và đang trở thành bí ẩn mới của thiên văn học - có thể chính là những hố đen khối lượng trung bình của vũ trụ nguyên thủy. Công cuộc khai quật của các nhà thiên văn học nhằm lấp đầy mắt xích còn thiếu cuối cùng của vũ trụ học hiện đại vẫn đang tiếp tục.
Tham khảo
https://science.nasa.gov/missions/hubble/nasas-hubble-chandra-spot-rare-type-of-black-hole-eating-a-star/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adbbee
Tác giả Ji Ung-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi xem 'Galaxy Express 999' lúc còn nhỏ, anh đã nuôi ước mơ truyền bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang nghiên cứu về 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 giảng và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Đài thiên văn đang hẹn hò', 'Suy ngẫm về vũ trụ suốt cả ngày', 'Ngôi sao, khoa học của ánh sáng'.