[비즈한국] Ở trung tâm thiên hà có một lỗ đen siêu khối lượng. Vậy thì, liệu các cụm sao - những tập hợp sao nhỏ hơn thiên hà - có nên chứa các lỗ đen nhỏ hơn tương ứng hay không? Đó là một suy nghĩ rất tự nhiên. Tất nhiên, cụm sao không phải là một phiên bản thu nhỏ hoàn hảo của thiên hà. Tuy nhiên, xét việc hàng trăm nghìn đến hàng triệu ngôi sao bị ràng buộc với nhau bởi trọng lực, cụm sao cũng là một địa điểm khá hợp lý để tìm kiếm các lỗ đen.
Đặc biệt, cụm sao càng lớn và càng nặng thì càng có nhiều ngôi sao được sinh ra, và do đó khả năng hình thành lỗ đen cũng cao hơn. Vậy nếu đó là Omega Centauri, cụm sao nặng nhất trong Ngân Hà của chúng ta thì sao?
Omega Centauri cách Trái Đất khoảng 17.900 năm ánh sáng. Cụm sao này tập hợp khoảng 10 triệu ngôi sao, với tổng khối lượng gấp khoảng 4 triệu lần Mặt Trời. Trong những đêm trời tối ở Nam Bán Cầu, nếu điều kiện thuận lợi, chúng ta thậm chí có thể nhìn thấy nó lờ mờ bằng mắt thường.
Tuổi đời của nó cũng vượt quá 12 tỷ năm. Điều này có nghĩa là những ngôi sao nặng từng được sinh ra trong Omega Centauri đã kết thúc vòng đời từ lâu. Trong khi các sao lùn đỏ khối lượng nhỏ có thể tồn tại hàng chục tỷ năm, thì các ngôi sao khối lượng lớn đã sớm cạn kiệt nhiên liệu và phát nổ thành siêu tân tinh. Những ngôi sao đủ nặng trong số đó chắc chắn sẽ để lại những lỗ đen khối lượng sao ở cuối đời.
Do đó, Omega Centauri hẳn phải chứa vô số lỗ đen. Trong một số mô hình động lực học thực tế, người ta ước tính rằng có khoảng 10.000 lỗ đen khối lượng sao nằm ở trung tâm cụm sao này. Tuy nhiên, con số này có thể là một ước tính quá cao do không phân biệt rõ ràng giữa các lỗ đen khối lượng trung bình nặng hơn và lỗ đen khối lượng sao.
Dù sao đi nữa, thực tế là Omega Centauri đủ lớn để giữ chân các lỗ đen. Vì cụm sao này quá nặng nên trọng lực cũng rất mạnh. Tốc độ thoát của nó là khoảng 62 km/s, cao gấp đôi so với tốc độ thoát thông thường của các cụm sao cầu trong Ngân Hà là 20-30 km/s. Vào thời kỳ đầu khi cụm sao còn nặng hơn hiện nay, tốc độ thoát có lẽ đã vượt quá 100 km/s. Khi các ngôi sao chết đi và lỗ đen hình thành, sự bất đối xứng trong các vụ nổ đôi khi tạo ra một loại "cú hích" khiến lỗ đen bị văng sang một bên. Tuy nhiên, ở những cụm sao có tốc độ thoát lớn như Omega Centauri, các lỗ đen cuối cùng không thể thoát ra ngoài mà vẫn ở lại.
Thế nhưng, thật kỳ lạ là cho đến nay, chưa có lỗ đen khối lượng sao nào được xác nhận trong Omega Centauri. Không phải vì không có lỗ đen, mà vì ở những nơi như thế này, chúng lại rất khó tìm.
Lỗ đen không tự phát sáng. Nó chỉ bộc lộ bản thân khi nuốt chửng khí hoặc vật chất từ các ngôi sao đồng hành, phát ra tia X và sóng vô tuyến mạnh mẽ. Nhưng nếu đang trong trạng thái "đói" không có gì để ăn, lỗ đen gần như ẩn mình hoàn hảo trong bóng tối. Mặc dù đã nhiều lần quan sát Omega Centauri bằng tia X và sóng vô tuyến chuyên sâu, vẫn không có ứng cử viên lỗ đen nào được tìm thấy. Đó là vì đây là một nơi hoang vắng, đã quá già cỗi và gần như cạn kiệt khí tươi, nên ngay cả khi có lỗ đen, môi trường ở đây cũng không có gì để nó tiêu thụ.
Từng có giả thuyết cho rằng trước đây lỗ đen tồn tại rất nhiều, nhưng tất cả đã bị văng ra ngoài do các tương tác trọng lực mãnh liệt và phức tạp trong cụm sao. Khi các lỗ đen nặng chìm về phía trung tâm cụm sao và tạo thành cặp đôi, nếu chúng đến gần một ngôi sao hoặc lỗ đen khác, chúng có thể hất văng vật thể kia ra ngoài như một chiếc ná cao su. Tuy nhiên, các mô hình tiến hóa cụm sao gần đây cho thấy rằng lỗ đen không thể bị đẩy đi hết một cách hiệu quả theo cách đó. Do đó, khả năng cao là Omega Centauri vẫn còn rất nhiều lỗ đen khối lượng sao đang nằm lặng lẽ trong bóng tối.
Gần đây, đã có một nỗ lực giải quyết vấn đề nan giải này bằng một phương pháp hoàn toàn khác. Thay vì tìm kiếm ánh sáng rò rỉ từ lỗ đen, người ta tìm kiếm sự chuyển động của các ngôi sao bị kéo bởi trọng lực của lỗ đen. Các nhà thiên văn học đã chú ý đến một ngôi sao bình thường chỉ cách trung tâm cụm sao 1 năm ánh sáng. Ngôi sao này chỉ có khối lượng bằng 78% khối lượng Mặt Trời. Nhìn bề ngoài, nó không có gì đặc biệt. Độ sáng ổn định và không biến đổi. Thế nhưng, khi theo dõi ngôi sao này trong thời gian dài, một hiện tượng kỳ lạ đã xuất hiện.
Nếu là một ngôi sao trôi dạt một mình trong không gian, nó phải có chuyển động riêng đơn giản gần như là đường thẳng trên bầu trời. Nhưng quỹ đạo của ngôi sao này rõ ràng đã bị uốn cong, như thể nó đang quay quanh một vật thể vô hình nào đó. Để phân tích kỹ lưỡng chuyển động của các ngôi sao trong Omega Centauri, các nhà khoa học đã theo dõi 350 ngôi sao trong hơn 20 năm bằng kính viễn vọng không gian Hubble. Dự án này được gọi là oMEGACat. Kết hợp với kết quả quan sát mới nhất từ kính viễn vọng không gian James Webb vào năm 2024 và 2025, tổng thời gian theo dõi chuyển động của các ngôi sao đã lên tới 23 năm.
Chuyển động nhỏ của các ngôi sao ở trung tâm Omega Centauri thậm chí còn nhỏ hơn một pixel trên thiết bị dò của Hubble và James Webb. Do đó, chỉ nhìn một tấm ảnh chụp nhanh là không thể biết được chuyển động của ngôi sao. Phải so sánh hàng trăm bức ảnh được chụp trong một thời gian rất dài và lấy nhiều ngôi sao làm điểm tham chiếu mới có thể biết chính xác chuyển động thực sự của ngôi sao mục tiêu. Kết quả phân tích cho thấy ngôi sao này dường như đang quay quanh một vật thể vô hình với chu kỳ khoảng 94 năm. Bán kính quỹ đạo của ngôi sao là khoảng 31 AU. Nó vẽ nên một quỹ đạo elip khá méo mó với độ lệch tâm lên tới 0,72.
Nhưng nảy sinh một câu hỏi: Chỉ quan sát trong 23 năm làm sao biết được chu kỳ quỹ đạo là 94 năm? Trong thời gian quan sát, ngôi sao thậm chí chưa đi hết một vòng quỹ đạo. Thật ra, họ đã gặp may. Khoảng năm 2012, khi Hubble đang quan sát, ngôi sao này đang đi qua điểm gần lỗ đen nhất, nơi nó di chuyển nhanh nhất trên quỹ đạo elip.
Mặc dù thời gian quan sát thực tế chỉ chiếm 40% toàn bộ quỹ đạo elip của ngôi sao, nhưng thật may mắn là họ đã nắm bắt được đúng thời điểm trọng lực của lỗ đen tác động mạnh nhất. Nhờ đó, khối lượng của lỗ đen đồng hành này cũng được tính toán tốt. Khối lượng của lỗ đen này, ước tính bằng định luật Kepler, vào khoảng 4,46 lần khối lượng Mặt Trời. Với khối lượng lớn như vậy mà không phát ra bất kỳ ánh sáng nào, câu trả lời khả thi nhất chỉ có thể là lỗ đen. Vì vậy, lỗ đen này được đặt tên là OmegaCat BH-2.
Lý do nó là BH-2 thay vì BH-1 dù là lỗ đen đầu tiên được phát hiện, là bởi thực tế qua cùng dữ liệu OmegaCat, một ứng cử viên lỗ đen khối lượng trung bình với khối lượng ước tính khoảng 8.000 lần Mặt Trời đã được phát hiện trước đó vào năm 2024 tại trung tâm cụm sao này. Nhưng lúc đó là lỗ đen khối lượng trung bình, còn lần này là lỗ đen khối lượng sao nhẹ hơn. Vì vậy, BH-2 được phát hiện lần này là lỗ đen khối lượng sao đầu tiên chính thức được tìm thấy trong Omega Centauri.
Mặc dù đã quét phạm vi rộng xung quanh BH-2 bằng kính viễn vọng không gian tia X Chandra, nhưng không thấy tia X nào đặc biệt. Đó là vì ngôi sao đồng hành đang quay trên một quỹ đạo quá lớn và ở xa, khiến lỗ đen không thể nuốt chửng vật chất của ngôi sao đó.
Tuy nhiên, vấn đề là BH-2 được phát hiện lần này nhẹ hơn dự kiến. Ngôi sao đồng hành có hàm lượng kim loại khá thấp. Những ngôi sao có hàm lượng kim loại thấp như vậy có lớp vỏ ngoài sạch và trong suốt. Ngay cả khi ánh sáng từ bên trong rò rỉ ra ngoài, cũng không có các hạt ion để chặn hoặc va chạm. Do đó, lực gió sao cũng yếu và khối lượng không bị giảm đi đáng kể. Vì vậy, người ta từng dự đoán rằng các lỗ đen được tạo ra từ những ngôi sao ít kim loại như vậy phải có khối lượng ít nhất gấp 20-40 lần Mặt Trời. Thế nhưng, khối lượng thực tế được xác nhận của BH-2 chỉ vào khoảng 4-5 lần, nhẹ hơn rất nhiều.
Điều này cho thấy khả năng mới rằng ngay cả trong môi trường như các cụm sao cầu lâu đời có rất ít kim loại, các lỗ đen khối lượng sao rất nhỏ cũng có thể được hình thành. Điều này có nghĩa là hàm phân phối khối lượng của lỗ đen có thể rộng và đa dạng hơn nhiều so với những gì chúng ta nghĩ. Cũng có khả năng tồn tại một cơ chế thổi bay vật chất bên ngoài ngôi sao một cách hiệu quả ngay cả khi lớp vỏ bề mặt sao không có nhiều hạt ion kim loại. Hoặc, cũng phải cân nhắc khả năng rằng ban đầu có rất nhiều lỗ đen nặng, nhưng chính chúng lại không chịu nổi các tương tác trọng lực phức tạp và đã rời khỏi cụm sao từ sớm.
Dù mới chỉ phát hiện một chiếc, nhưng chưa ai biết trong tương lai sẽ còn bao nhiêu lỗ đen nữa được tìm thấy bên trong đó. Kính viễn vọng không gian James Webb dự kiến sẽ quan sát lại ngôi sao này vào năm 2027 và 2028. Khi có thêm dữ liệu quan sát trong 2 năm, quỹ đạo của ngôi sao sẽ trở nên chính xác hơn và khối lượng của lỗ đen sẽ được xác định rõ ràng hơn. Việc chờ xem liệu lỗ đen đó có trở nên nặng hơn hay vẫn giữ nguyên khối lượng nhẹ như hiện tại cũng là một điều thú vị.
Tìm kiếm bóng tối ẩn giấu trong những thứ tỏa sáng rực rỡ, đó là công việc của thiên văn học. Và bóng tối đó cuối cùng sẽ bị lộ tẩy. Bóng tối không tồn tại đơn độc. Bởi lẽ, dù bản thân đang ẩn nấp trong bóng tối, nó vẫn tương tác với những thứ sáng sủa xung quanh và để lại dấu vết gián tiếp của chính mình.
Tham khảo
https://omegacatalog.github.io/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae7a5c
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Là người yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", ông đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ đến mọi người. Hiện là giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do, Đại học Sejong, ông tham gia vào các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như giảng dạy và viết sách. Ông là tác giả của các cuốn sách như "Về sự vô dụng của nhà thiên văn học", "Chúng ta đều được sinh ra là nhà thiên văn học", "Những câu hỏi kỳ lạ xuất hiện khi nhìn vào vũ trụ", và đã dịch các tác phẩm như "Làm thế nào tôi giết chết Sao Diêm Vương", "Quantum Life", "UFO".