[비즈한국] Tại tâm điểm của dải Ngân Hà là Sagittarius A* (Sgr A*), một hố đen siêu khối lượng có khối lượng lớn gấp khoảng 4 triệu lần Mặt Trời. So với khối lượng khổng lồ đó, hoạt động của nó lại tĩnh lặng đến kinh ngạc. Nó không tích cực thu hút vật chất xung quanh, cũng không làm cho vùng trung tâm thiên hà trở nên rực rỡ. Đó là lý do tại sao từ lâu, nó được coi là một hố đen gần như ở trạng thái ngủ đông. Tuy nhiên, thông qua các quan sát chính xác, người ta đã phát hiện ra những dấu vết cho thấy hố đen tĩnh lặng này vẫn đang thổi gió ra xung quanh, làm thay đổi không gian vũ trụ lân cận.
Hố đen siêu khối lượng ảnh hưởng đến toàn bộ thiên hà bằng cách tích cực thu hút vật chất. Năng lượng tỏa ra từ xung quanh hố đen làm sáng nhân thiên hà, đồng thời làm nóng hoặc đẩy các luồng khí lân cận. Nếu ảnh hưởng này đủ mạnh, nó có thể làm giảm nguồn cung cấp khí lạnh cần thiết để hình thành sao, từ đó ức chế sự ra đời của các ngôi sao mới. So với các nhân thiên hà hoạt động (AGN) như vậy, Sagittarius A* ở trạng thái trầm lắng hơn nhiều. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là mọi tương tác với môi trường xung quanh đã dừng lại.
Xung quanh hố đen tập trung khí, bụi và các ngôi sao. Khí trải qua các va chạm và ma sát, mất đi năng lượng và trao đổi mô-men động lượng. Trong quá trình này, một phần khí bị mất mô-men động lượng sẽ di chuyển về phía hố đen. Càng gần trung tâm, một phần thế năng trọng trường chuyển hóa thành nhiệt năng khiến nhiệt độ của khí tăng lên. Vật chất nóng lên sẽ phát xạ ánh sáng, và một phần chảy ra ngoài tạo thành các luồng gió xung quanh hố đen. Những luồng gió này không phải là vật chất thoát ra từ bên trong chân trời sự kiện, mà là dòng vật chất đang rơi vào hố đen nhưng bị đẩy ngược ra từ khu vực lân cận.
Ngay cả khi lượng vật chất rơi vào hố đen không nhiều, năng lượng truyền ra môi trường xung quanh vẫn có thể rất đáng kể. Ví dụ về quy mô năng lượng mà các nhà nghiên cứu đưa ra: năng lượng tỏa ra từ việc chỉ 1g khí (tương đương một chiếc kẹp giấy) rơi vào hố đen cũng đủ để đẩy khoảng 100kg khí ở xa hơn thoát khỏi sự ràng buộc của trọng trường. Nếu áp dụng cho Sagittarius A*, khoảng cách đó tương đương với quãng đường ánh sáng di chuyển trong khoảng 12 ngày, tức là gấp hơn 50 lần khoảng cách từ Mặt Trời đến Hải Vương Tinh. Đây là lý do tại sao ngay cả khi lượng vật chất rơi vào ít, ảnh hưởng của hố đen lên môi trường xung quanh vẫn không thể bị xem thường.
Những dấu vết cho thấy Sagittarius A* có thể đã hoạt động dữ dội hơn nhiều trong quá khứ đã được biết đến từ trước. Điển hình là các "bong bóng Fermi" (Fermi bubbles) khổng lồ kéo dài phía trên và phía dưới mặt phẳng của Ngân Hà. Một trong những giả thuyết thuyết phục nhất giải thích nguồn gốc của cấu trúc quan sát được bằng tia gamma này chính là hoạt động của hố đen trung tâm trong quá khứ. Tuy nhiên, chỉ dựa vào những dấu vết từ quá khứ xa xôi thì khó có thể biết được liệu ngày nay Sagittarius A* còn thổi gió hay không. Để xác nhận các hoạt động gần đây, cần phải tìm kiếm những dấu vết còn sót lại gần hố đen.
Trung tâm Ngân Hà cách Trái Đất khoảng 26.000 năm ánh sáng. Giữa chúng là những đám bụi và khí dày đặc, khiến việc quan sát trung tâm bằng ánh sáng khả kiến trở nên bất khả thi. Đó là lý do tại sao các nhà thiên văn học phải sử dụng sóng vô tuyến, tia hồng ngoại và tia X. Nghiên cứu lần này đã sử dụng dữ liệu quan sát do mạng lưới kính thiên văn vô tuyến ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) thu thập vào các năm 2017, 2018 và 2021.
Điều mà các nhà nghiên cứu chú ý là tín hiệu vô tuyến của khí carbon monoxide (CO) phát ra ở tần số khoảng 230 GHz. Vạch phát xạ này hữu ích để theo dõi khí phân tử lạnh ở nhiệt độ khoảng 100K. Thay vì tập trung vào ánh sáng từ chính hố đen, nghiên cứu đã quan sát chính xác vị trí và sự phân bố của lớp khí lạnh xung quanh đó. Bằng cách kết hợp dữ liệu qua nhiều năm, họ đã tạo ra một bản đồ quan sát với kích thước 2.700 x 2.700 pixel.
Trong quá trình này, việc xử lý sự thay đổi độ sáng nhanh chóng của Sagittarius A là rất quan trọng. Cường độ sóng vô tuyến của Sagittarius A thay đổi trong khoảng thời gian ngắn. Nếu không hiệu chỉnh chính xác tín hiệu sáng và biến đổi thất thường ở trung tâm, rất khó để phân biệt các cấu trúc mờ nhạt xung quanh. Các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa những biến đổi này và loại bỏ ảnh hưởng từ nguồn phát vô tuyến trung tâm để làm lộ rõ cấu trúc tinh vi của lớp khí lan tỏa xung quanh.
Xung quanh Sagittarius A* có một vành đai khí phân tử lớn hơn nhiều so với vùng vật chất đang rơi vào hố đen. Đây là cấu trúc được gọi là đĩa quanh nhân (Circum-nuclear disk - CND). Trước đây, người ta cho rằng biên trong của vành đai này cách hố đen khoảng 0,5 parsec. Người ta nghĩ rằng bên trong đó chủ yếu chứa khí bị ion hóa nóng, còn khí phân tử lạnh thì rất hiếm.
Bản đồ quan sát mới của ALMA cho thấy thực tế là các cấu trúc khí phân tử phức tạp vẫn tồn tại phong phú ngay bên trong vùng đó. Sự phân bố vận tốc của khí cho thấy các mô hình khớp với chuyển động quay xung quanh hoặc rơi vào trung tâm Sagittarius A*. Đây là bằng chứng cho thấy chúng không phải là những đám mây nền vô tình chồng lấp lên tầm nhìn, mà là khối khí thực sự tham gia vào dòng chảy vật chất của tâm thiên hà.
Khám phá quan trọng nhất là một khoảng trống hình nón xuất hiện ngay giữa sự phân bố khí phân tử lạnh. Cấu trúc này bắt đầu từ vùng lân cận Sagittarius A* và kéo dài ít nhất 1 parsec, tức là hơn 3 năm ánh sáng. Góc mở của hình nón là khoảng 45 độ. Tín hiệu khí phân tử lạnh quan sát được xung quanh lại yếu đi rõ rệt bên trong lối đi này.
Các nhà nghiên cứu giải thích cấu trúc hình nón này là dấu vết của luồng gió nóng thổi ra từ khu vực xung quanh hố đen. Khi luồng gió đi qua, nó đẩy hoặc làm nóng khí lạnh, khiến khả năng phát xạ của carbon monoxide bị suy giảm. Vì vậy, việc nó trông như trống rỗng trên bản đồ quan sát không có nghĩa đó là chân không hoàn toàn mất sạch vật chất. Nó chỉ có nghĩa là thiếu tín hiệu theo dõi khí phân tử lạnh, và bên trong đó có thể tồn tại khí nóng.
Những luồng gió này khác với các tia phản lực (jet) từ hố đen thường thấy. Tia phản lực là dòng vật chất và năng lượng tập trung trong một phạm vi hẹp và bắn đi rất xa. Ngược lại, gió lan tỏa ở một góc rộng hơn. Bạn có thể hình dung sự khác biệt giữa dòng nước từ vòi phun hẹp và vòi hoa sen phun tỏa rộng. Cấu trúc được phát hiện lần này mở rộng khá lớn, nên các nhà nghiên cứu giải thích đây là dòng chảy gần với dạng gió hơn là tia phản lực.
Kết quả quan sát từ kính thiên văn tia X Chandra cũng củng cố giả thuyết này. Khí phân tử lạnh do ALMA ghi lại và phát xạ tia X do Chandra ghi lại có sự phân bố trái ngược nhau. Ở những nơi có ít khí lạnh thì tia X mạnh, và ở nơi có nhiều khí lạnh thì tia X lại tương đối yếu. Đây là hình ảnh có thể kỳ vọng nếu khí lạnh bị đẩy đi hoặc bị nung nóng ở những khoảng không gian mà khí nóng chiếm giữ.
Việc ranh giới hình nón còn tồn tại rõ rệt cũng rất quan trọng. Xung quanh đó, khí phân tử vẫn đang tiếp tục chảy vào trung tâm. Nếu trong quá khứ chỉ có một luồng gió mạnh thổi qua rồi dừng lại hoàn toàn, thì theo thời gian, dấu vết đó có thể đã bị lấp đầy bởi lớp khí mới. Để khoảng trống duy trì được, tác động đẩy hoặc nung nóng khí phải diễn ra liên tục.
Thời gian tồn tại của luồng gió cũng có thể được ước tính. Các nhà nghiên cứu giả định rằng luồng gió này là nguyên nhân chính tạo ra cấu trúc khí ion hóa xung quanh, từ đó sử dụng tốc độ quay của khí và kích thước cấu trúc để tính toán thời gian. Kết quả cho thấy, gió theo hướng quan sát được có khả năng đã hoạt động ít nhất khoảng 20.000 năm. Khác với việc chỉ xác nhận sự tồn tại của hình nón, việc ước tính thời gian này có bao gồm giả định về nguyên nhân khiến khí bị nung nóng và ion hóa.
Cũng có bằng chứng cho thấy Sagittarius A* đã từng sáng hơn hiện tại cho đến tận thời gian gần đây. Đó là những "tiếng vọng" tia X quan sát được từ các đám mây phân tử xung quanh. Tia X phát ra từ xung quanh hố đen trong quá khứ sau khi đến các đám mây ở xa và tán xạ, nếu truyền về Trái Đất sẽ được quan sát muộn hơn so với ánh sáng truyền trực tiếp do quãng đường đi dài hơn. Bằng cách phân tích tín hiệu phản xạ này, chúng ta có thể nhìn lại các hoạt động trong quá khứ mà mình không thể trực tiếp quan sát. Đây là hiện tượng khác biệt với việc phát xạ tia X xảy ra khi gió va chạm với đám mây.
Những quan sát này cho thấy khả năng Sagittarius A* đã phát ra tia X mạnh hơn nhiều so với hiện nay vào vài trăm năm trước. Vài trăm năm là khoảng thời gian tương đương với thời kỳ Galileo quan sát bầu trời bằng kính thiên văn. Nếu lúc đó có công nghệ quan sát tia X, có lẽ chúng ta đã ghi lại được diện mạo trung tâm thiên hà khác hẳn ngày nay. Chỉ với kính thiên văn ánh sáng khả kiến, thật khó để nhận ra những thay đổi diễn ra đằng sau lớp bụi dày. Nếu sự phát triển khoa học công nghệ của nhân loại nhanh hơn chỉ khoảng 400 năm, có lẽ chúng ta đã có thể thấy được dải Ngân Hà đang phun ra tia X rực rỡ hơn nhiều.
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae63cf
Tác giả Ji Ung-bae là ai? Là người yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ truyền tải vẻ đẹp của vũ trụ đến mọi người. Hiện tại, anh là Giáo sư trợ giảng tại Khoa Giáo dục Tự do, Đại học Sejong, 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 "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 nảy ra khi nhìn vào vũ trụ", và đã dịch các tác phẩm như "Tôi đã giết sao Diêm Vương như thế nào", "Quantum Life", "UFO"...