[비즈한국] Một lỗ đen khổng lồ đang ẩn náu tại trung tâm Ngân Hà. Điều này giờ đây được xem là kiến thức thông thường mà ai cũng biết. Dù nguồn gốc chính xác của lỗ đen siêu khối lượng – làm thế nào mà một khối vật chất khổng lồ như vậy lại tồn tại ở trung tâm thiên hà – vẫn còn là một bí ẩn, nhưng ít nhất dường như không có sự bất đồng lớn nào về việc bản chất của nó chính là lỗ đen. Tuy nhiên, một giả thuyết đã được đặt ra rằng thực thể đó có thể hoàn toàn khác biệt. Nếu không phải lỗ đen, vậy cái gì đang nằm ở trung tâm thiên hà?
Những người đầu tiên xác định sự tồn tại của lỗ đen ở trung tâm Ngân Hà là các nhà thiên văn học Andrea Ghez và Reinhard Genzel. Từ đầu những năm 1990, họ đã nhắm vào trung tâm Ngân Hà bằng kính thiên văn Keck. Họ phát hiện ra rằng các ngôi sao ở trung tâm thiên hà đang di chuyển với tốc độ cực nhanh trong một phạm vi vô cùng nhỏ hẹp, chỉ rộng vài năm ánh sáng. Cụ thể, họ đã theo dõi quỹ đạo của ngôi sao có tên là S2 trong hàng chục năm, và thấy nó di chuyển theo một quỹ đạo elip bị bóp méo với tốc độ rất cao. Rõ ràng, có thứ gì đó với lực hấp dẫn mạnh mẽ đang giữ ngôi sao đó ở lại tại trung tâm. Thế nhưng, tại vị trí đáng lẽ phải có vật chất đó lại không hề có ánh sáng nào phát ra. Một thực thể không phát sáng nhưng mang lực hấp dẫn vô cùng mạnh mẽ, đó chính là lỗ đen trong truyền thuyết.
Khối lượng của lỗ đen Nhân Mã A* tại trung tâm Ngân Hà, được suy luận thông qua quỹ đạo của các ngôi sao, ước tính gấp khoảng 4 triệu lần Mặt trời. Ngoài các ngôi sao, người ta còn quan sát thấy các đám mây khí gọi là loại G đang quay nhanh và bị tan rã, đây cũng là bằng chứng cho thấy có một thực thể cực kỳ nặng và mạnh mẽ đang ẩn náu ở trung tâm thiên hà. Ghez và Genzel đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2020 nhờ công trình cung cấp bằng chứng trực tiếp nhất về sự tồn tại của con quái vật đáng sợ đang ẩn mình tại trung tâm Ngân Hà.
Cơ sở để họ nhận giải Nobel chính là thành công của Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) ngay trước đó. Bằng cách huy động toàn bộ kính thiên văn vô tuyến trên khắp Trái đất, họ đã liên tiếp chụp được bóng của ánh sáng từ lỗ đen trung tâm thiên hà M87 và trung tâm Ngân Hà. Hình ảnh thu được hoàn toàn khớp với những gì đã suy luận từ thuyết tương đối của Einstein. Đây là bằng chứng xác thực nhất biến việc lỗ đen khổng lồ ẩn náu ở trung tâm thiên hà trở thành một học thuyết chính thống.
Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều tranh cãi xoay quanh trung tâm Ngân Hà. Đó là bởi lỗ đen tại trung tâm Ngân Hà đặc biệt im ắng. Trong các thiên hà khác, lỗ đen trung tâm thường thể hiện sự hiện diện của mình bằng cách phun ra các tia X và tia gamma dữ dội. Không có nhiều tranh cãi về những lỗ đen hoạt động mạnh mẽ như vậy. Thế nhưng, lỗ đen của Ngân Hà lại không cho thấy bất kỳ sự hoạt động nào. Ngoài ra, người ta từng kỳ vọng sẽ quan sát thấy những vụ nổ ánh sáng dữ dội khi các đám mây khí đi ngang qua gần lỗ đen bị phá hủy hoàn toàn, nhưng có những lần chúng đã trôi qua một cách lặng lẽ. Thậm chí, không chắc chắn rằng lỗ đen trung tâm Ngân Hà đã từng có thời kỳ bạo động hay chưa. Trong vài năm qua, dù đã ghi nhận được một vài khoảnh khắc bùng nổ tia X lớn nhỏ, nhưng so với những lỗ đen khổng lồ khác, nó vẫn tỏ ra quá tĩnh lặng và rụt rè.
Gần đây, dữ liệu quan sát từ vệ tinh Gaia về khoảng cách và tốc độ của các ngôi sao trong Ngân Hà đã tiết lộ một hiện tượng bất ngờ. Lực hấp dẫn là lực yếu dần khi khoảng cách tăng lên. Thông thường, các thiên hà vẫn duy trì tốc độ ổn định của các ngôi sao ngay cả khi ở xa trung tâm. Việc tốc độ sao không giảm đáng kể ở vùng ngoại vi nơi lực hấp dẫn yếu được coi là bằng chứng quan trọng nhất của vật chất tối, cho thấy khối lượng vô hình được phân bổ rộng khắp. Ngân Hà cũng được biết đến với đặc điểm này.
Thế nhưng, các quan sát chính xác hơn từ Gaia đã làm lung lay kiến thức đó. Năm 2023, các nhà thiên văn học phát hiện ra rằng các ngôi sao ở rìa Ngân Hà di chuyển chậm hơn dự kiến. Khi vẽ "đường cong tốc độ" – biểu đồ cho thấy tốc độ quay của các ngôi sao thay đổi thế nào theo khoảng cách từ tâm – người ta thấy nó không duy trì phẳng lì mà lại chùng xuống ở phía rìa. Hiện tượng này bắt đầu ở khoảng cách 52.000 năm ánh sáng, vốn được coi là biên giới bên ngoài của Ngân Hà, nơi các ngôi sao di chuyển chậm hơn 30km/s so với dự đoán ban đầu. Điều khó hiểu này dẫn đến nghi ngờ rằng Ngân Hà có ít vật chất tối hơn hoặc sự phân bổ của chúng hoàn toàn khác so với suy nghĩ trước đây.
Tóm lại, vấn đề tốc độ sao ở vùng ngoại vi thiên hà bị chậm lại, vốn được xác nhận gần đây bởi Gaia, có nghĩa là Ngân Hà không thực sự nặng nề hay có lực hấp dẫn mạnh như chúng ta nghĩ. Nếu vậy, chúng ta đã hiểu lầm điều gì mà lại cho rằng Ngân Hà là một thực thể mạnh mẽ và nặng nề hơn? Chính tại đây, nghiên cứu này đặt nghi vấn về sự tồn tại của lỗ đen vốn được coi là điều hiển nhiên ở trung tâm Ngân Hà.
Nghiên cứu lần này lập luận rằng thực thể đó không phải là một lỗ đen nặng nề với khối lượng tập trung tại một điểm, mà chỉ là một khối vật chất có mật độ cao gồm các hạt hạ nguyên tử rất nhẹ gọi là fermion. Fermion là những hạt rất nhẹ. Giống như các hạt hạ nguyên tử khác, chúng tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli. Hai hay nhiều hạt không thể cùng tồn tại trong một trạng thái lượng tử, tạo ra lực đẩy lẫn nhau. Do đó, khối fermion không sụp đổ thành cái gọi là điểm kỳ dị.
Từ đây, các nhà thiên văn học đã giả định về "fermion tối", ứng cử viên nặng ký nhất hiện nay cho cấu tạo của vật chất tối. Chúng tương tác qua lực hấp dẫn giống như vật chất tối. Vì vậy, chúng không phân tán trong không gian vũ trụ mà có thể tập trung với mật độ cao ở trung tâm thiên hà, nơi có lực hấp dẫn mạnh nhất. Do đó, các ngôi sao quay quanh vùng đó sẽ di chuyển tương tự như khi ở gần một lỗ đen thông thường. Tuy nhiên, vì khối fermion này không thực sự có chân trời sự kiện như lỗ đen, nên các sự kiện hủy diệt khiến ngôi sao và đám mây khí bị xé toạc có thể không xảy ra. Điều này hoàn toàn phù hợp với đặc điểm của "thứ gì đó" tại trung tâm Ngân Hà mà chúng ta đã quan sát thấy – quá im ắng nhưng vẫn giữ chặt các ngôi sao xung quanh.
Nghiên cứu đã thực hiện một phân tích thống kê đơn giản. Họ giả định thực thể ở trung tâm Ngân Hà là một trong hai trường hợp: lỗ đen hoặc khối fermion, sau đó so sánh mức độ tái hiện lại dữ liệu quan sát thực tế. Họ giả định hai mức năng lượng cho fermion là 56keV và 300keV; fermion năng lượng lớn có xu hướng tập trung với mật độ cao hơn ở trung tâm. Tuy nhiên, cả hai trường hợp đều không cho thấy sự khác biệt đáng kể so với việc có một lỗ đen ở trung tâm và mô tả gần như hoàn hảo chuyển động của các ngôi sao trong Ngân Hà.
Nhưng một câu hỏi quan trọng vẫn còn đó. Bằng chứng khiến chúng ta tin vào sự tồn tại của lỗ đen siêu khối lượng không chỉ là chuyển động nhanh hay quỹ đạo của các ngôi sao. Chẳng phải chúng ta đã xác nhận sự tồn tại của nó thông qua ảnh chụp thực tế hay sao? Đó chính là vòng sáng được Kính thiên văn Chân trời Sự kiện chụp lại. Nếu vậy, liệu một khối fermion không phải lỗ đen có thể giải thích bức chân dung nổi tiếng của lỗ đen đó không?
Đáng ngạc nhiên là nghiên cứu này khẳng định rằng khối fermion cũng có thể giải thích cho hiện tượng tương tự. Họ cho rằng một khối fermion siêu mật độ cũng có thể bẻ cong ánh sáng xung quanh giống như lỗ đen và bắt chước hình dạng cái bóng của ánh sáng lỗ đen mà chúng ta thường thấy.
Kết luận lại, tóm tắt giả thuyết này là chúng ta không thể phân biệt được thực thể ở trung tâm Ngân Hà là lỗ đen hay khối fermion. Chỉ với quỹ đạo của các ngôi sao xung quanh và cái bóng ánh sáng do Kính thiên văn Chân trời Sự kiện chụp lại – vốn được coi là bằng chứng quan sát thuyết phục nhất – chúng ta không thể loại trừ khả năng là khối fermion.
Tất nhiên, phân tích này có những hạn chế nghiêm trọng. Suy cho cùng, đây cũng chỉ là một phân tích dựa trên giả định về một khối fermion giả tưởng đáp ứng được hai đặc điểm quan sát mà chúng ta biết, vì vậy việc nó giải thích tốt các kết quả quan sát có thể là điều đương nhiên. Nhưng sự chỉ trích đó cũng có thể áp dụng cho giả thuyết lỗ đen ở trung tâm Ngân Hà. Rốt cuộc, chúng ta chưa bao giờ tận mắt nhìn thấy một lỗ đen. Chúng ta chỉ thấy các hiện tượng xảy ra khi giả định rằng lỗ đen tồn tại, nên đương nhiên chúng ta cho rằng lỗ đen phải nằm ở đó.
Vậy có cách nào để phân biệt đó có phải lỗ đen hay không? Chỉ còn một cách duy nhất. Đó là xác nhận vòng photon xảy ra xung quanh điểm kỳ dị của lỗ đen. Không chỉ là đĩa bồi tụ hay cái bóng tròn của ánh sáng, mà còn phải quan sát được vòng photon ngay sát biên giới chân trời sự kiện. Lực hấp dẫn xung quanh lỗ đen quá mạnh đến mức photon không chỉ bị uốn cong mà còn quay ngược lại hướng xuất phát giống như boomerang, khiến ánh sáng tích tụ cực độ. Khi đó, một vòng photon nhỏ và sắc nét sẽ hình thành ngay xung quanh chân trời sự kiện của lỗ đen. Kích thước của nó chỉ bằng 1,5 lần chân trời sự kiện. "Chiếc bánh donut đỏ" mà chúng ta thấy trong quan sát của Kính thiên văn Chân trời Sự kiện là vùng bên ngoài đó. Vòng photon thực chất chính là ranh giới cuối cùng mà chúng ta có thể nhìn thấy ánh sáng thực sự ở gần lỗ đen.
Một số nhà thiên văn học khẳng định đã nhìn thấy vòng photon này trong các quan sát trước đó của EHT, nhưng vẫn còn nhiều ý kiến trái chiều. Hiện tại, manh mối duy nhất để kết luận thực thể ở trung tâm Ngân Hà thực sự là lỗ đen hay một cái gì đó khác chính là vòng photon này. Khi có nhiều kính thiên văn vô tuyến được huy động và một Kính thiên văn Chân trời Sự kiện mạnh mẽ hơn được trang bị trong tương lai, chúng ta có thể sẽ đưa ra được kết luận.
Trớ trêu thay, mệnh đề "một lỗ đen khổng lồ chắc chắn ẩn náu ở trung tâm thiên hà" không phải lúc nào cũng đúng. Có khá nhiều thiên hà không cho thấy dấu hiệu rõ ràng của lỗ đen ở trung tâm. Nếu tính cao, khoảng gần 30% thiên hà dường như không có lỗ đen ở tâm và chỉ giữ các ngôi sao ở lại nhờ vào chính lực hấp dẫn mạnh mẽ của chúng. Và trên thực tế, khối lượng của lỗ đen không bằng 1/1000 khối lượng toàn bộ thiên hà. Thiên hà nặng hơn lỗ đen rất nhiều. Vì vậy, ngay cả khi không có lỗ đen trong Ngân Hà, cũng không phải là điều gì quá kỳ lạ.
Mặc dù chưa biết kết luận thế nào, nhưng khi nghĩ rằng có thể không có một lỗ đen khổng lồ ở trung tâm Ngân Hà, tại sao tôi lại cảm thấy dải Ngân Hà có chút nhạt nhòa nhỉ? Dù ban đầu vì lỗ đen không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nên dù có lỗ đen hay không, khung cảnh Ngân Hà mà chúng ta nhìn thấy vẫn sẽ không thay đổi.
Tham khảo
https://academic.oup.com/mnras/article/546/1/staf1854/8431112?login=false
Tác giả Ji Woong-bae? 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 là giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do của Đại học Sejong, tham gia vào các hoạt động truyền thông khoa học khác nhau như thuyết trình và viết sách. Anh đã viết các cuốn sách như "Mỗi ngày một mảnh vũ trụ", "Các nhà khoa học trong vũ trụ đầy sao", "Không thể đi nhưng có thể biết", "Những câu hỏi kỳ lạ xuất hiện khi nhìn vào vũ trụ" và đã dịch các cuốn "Hướng dẫn du lịch vũ trụ cho người quá giang", "Tại sao tôi lại giết sao Diêm Vương", "Quantum Life", "Cosmigraphic"...