[비즈한국] Chúng ta thường nghĩ lỗ đen là những vùng tử địa, nơi hút sạch và phá hủy mọi thứ. Thế nhưng, liệu bạn có tin rằng các hành tinh mới lại đang được hình thành ngay tại khu vực bao quanh những lỗ đen này? Thật bất ngờ khi chính lỗ đen lại có thể là "vườn ươm" cho những thiên thể mới ra đời. Thậm chí, xung quanh một lỗ đen siêu khối lượng có thể sản sinh ra không phải hàng nghìn, hàng triệu, mà là hàng chục triệu hành tinh.
Thông thường, các hành tinh tất nhiên được sinh ra quanh các vì sao. Hệ Mặt Trời của chúng ta cũng khởi nguồn từ đĩa bụi và khí bao quanh Mặt Trời mới hình thành cách đây 4,6 tỷ năm. Những hạt bụi nhỏ trong đĩa va chạm và kết tụ lại, phát triển thành sỏi và đá lớn hơn. Những vi hành tinh này tiếp tục va chạm và hợp nhất, tạo nên các hành tinh như Trái Đất và Sao Mộc.
Thế nhưng, quanh các lỗ đen siêu khối lượng cũng hình thành những chiếc đĩa tương tự. Khi lỗ đen ở tâm thiên hà hút bụi và khí xung quanh, vật chất không rơi thẳng vào trong mà quay với tốc độ cực nhanh, tạo thành một đĩa bồi tụ khổng lồ và phẳng dẹt. Đặc biệt, tại tâm các thiên hà nơi lỗ đen "ngấu nghiến" vật chất, được gọi là nhân thiên hà hoạt động (AGN), phần bên trong của đĩa quanh lỗ đen rất nóng và sáng. Khí phát ra tia X và tia cực tím cực mạnh, còn bụi hầu như bay hơi hết do không chịu nổi nhiệt độ cao. Tất nhiên, trong môi trường này, hành tinh không thể hình thành.
Tuy nhiên, khi đi xa khỏi lỗ đen trung tâm đến phía ngoài của đĩa, tình hình thay đổi hoàn toàn. Tại khoảng cách khoảng 3 đến 30 năm ánh sáng từ lỗ đen siêu khối lượng, tồn tại một khu vực có nhiệt độ giảm đáng kể. Ở đây, khí và bụi bao quanh lỗ đen như một chiếc bánh donut dày và tối. Vì vậy, nó được gọi là "đĩa xuyến bụi" (dust torus). Năng lượng bức xạ mạnh mẽ từ lỗ đen trung tâm và phần trong của đĩa bồi tụ bị ngăn cản bởi cấu trúc dày đặc này. Phía sau nó, nhiệt độ đủ thấp để silicat, kim loại và băng có thể tồn tại. Và chính tại đây, các hành tinh có thể được sinh ra.
Đĩa tiền hành tinh quanh Mặt Trời thường chỉ giới hạn ở quy mô hàng trăm đơn vị thiên văn (AU). Nhưng đĩa xuyến bụi của nhân thiên hà hoạt động lại trải dài hàng năm ánh sáng, thậm chí hàng chục năm ánh sáng. Chỉ cần so sánh kích thước cũng thấy nó lớn hơn gấp hàng nghìn lần so với đĩa hành tinh bình thường. Tất nhiên, lượng nguyên liệu bên trong cũng nhiều áp đảo. Các nhà thiên văn học gần đây đã xác nhận khả năng hàng loạt hành tinh có thể được sản sinh ra từ chính nơi này.
Giả định một lỗ đen siêu khối lượng có khối lượng gấp 10 triệu đến 1 tỷ lần Mặt Trời và mô hình đĩa được duy trì bởi từ trường. Thực tế, từ trường là yếu tố vô cùng quan trọng khi tạo ra hành tinh. Nếu khí và bụi trong đĩa quá nặng, thay vì tạo ra từng hành tinh riêng lẻ, cả đĩa có thể đổ sụp xuống thành một khối thống nhất. Điều đó làm cho việc tạo ra hành tinh trở nên khó khăn hơn. Thế nhưng, nếu từ trường mạnh được duy trì, nó sẽ giúp phồng và nâng đỡ đĩa, ngăn không cho toàn bộ đĩa sụp đổ cùng một lúc. Khi đó, các hạt bụi trong đĩa có thể tồn tại và phát triển thành các mảnh hành tinh độc lập riêng biệt.
Quá trình diễn ra trong môi trường quanh lỗ đen được xác nhận qua mô phỏng lần này thực sự rất thú vị. Ban đầu, các hạt bụi nhỏ chỉ ở mức 1 micromet trôi nổi. Đó là quy mô nhỏ hơn hàng chục đến hàng trăm lần so với độ dày của sợi tóc người. Những hạt nhỏ này va chạm với nhau và phát triển thành kích thước milimet, centimet. Thời gian để các hạt tăng kích thước thay đổi đáng kể từ hàng nghìn đến hàng trăm triệu năm, tùy thuộc vào khối lượng của lỗ đen trung tâm và khoảng cách từ lỗ đen.
Thế nhưng, khi bụi bắt đầu lớn hơn, một vấn đề mới có thể nảy sinh. Khí trong đĩa dần chậm lại do áp suất. Các hạt bụi di chuyển liên tục trong khi tương tác với khí. Trong quá trình này, nơi nào bụi tụ lại nhiều hơn một chút sẽ bắt đầu thu hút thêm bụi xung quanh bằng lực mạnh hơn. Giống như trên đường, một vài chiếc xe đi chậm lại sẽ khiến xe phía sau tích tụ liên tục, các hạt bụi cũng bắt đầu tập trung vào những khu vực nhất định của đĩa. Bụi tích tụ theo cách này tạo thành những dải dài và hình thành các sợi (filament).
Lượng bụi thuần túy trong một sợi này nặng đến mức đáng kinh ngạc. Nó có thể đạt tới hàng chục nghìn đến hàng triệu lần khối lượng Sao Mộc. Thậm chí có thể ngang bằng với khối lượng Mặt Trời. Một lượng lớn hạt bụi như vậy sẽ tụ lại giữa đĩa để hình thành một dải dài. Tuy nhiên, không phải sợi này sẽ ngay lập tức kết tụ thành một hành tinh.
Khi mật độ đủ cao, sợi này cũng không thể chống chọi được với trọng lực của chính nó và sụp đổ. Qua đó, nó phân hóa thành vô số khối nhỏ hơn. Quá trình này tương tự như cách các tiểu hành tinh và vi hành tinh được tạo ra trong hệ Mặt Trời, nhưng với quy mô lớn hơn nhiều. Theo mô phỏng, khối lượng các hành tinh được tạo ra qua quá trình này chủ yếu ở mức Sao Mộc. Và nếu đếm tất cả các hành tinh sinh ra trên khắp đĩa, con số có thể lên tới hàng chục triệu. Xung quanh lỗ đen bạo lực ở tâm thiên hà, những hành tinh nặng cỡ Sao Mộc đang ra đời với số lượng nhiều bằng cả dân số Hàn Quốc.
Những hành tinh sơ khai được sinh ra như vậy sẽ tiếp tục quét sạch bụi và sỏi nhỏ còn sót lại xung quanh. Quá trình này được gọi là "tích tụ sỏi" (pebble accretion). Khi thiên thể lớn dần, trọng lực sẽ mạnh hơn và có thể giữ được nhiều vật chất hơn. Cứ phát triển như vậy, trong khoảng từ 1.000 đến 10 triệu năm, hành tinh có thể tăng gấp đôi kích thước. Đây là công việc mất trung bình hàng triệu năm trong các đĩa tiền hành tinh thông thường. Nhưng vì nguồn nguyên liệu xung quanh đĩa nhân thiên hà hoạt động rất dồi dào, tùy thuộc vào điều kiện mà hành tinh có thể tăng kích thước nhanh chóng chỉ trong vòng 1.000 năm.
Chính tại đây, sự khác biệt quan trọng phát sinh giữa khu vực quanh lỗ đen và quanh những ngôi sao bình thường. Quanh các ngôi sao bình thường, hành tinh không thể tăng trưởng vô hạn. Hành tinh đang lớn dần sẽ làm sạch đĩa xung quanh và tạo ra những khoảng trống. Sỏi không thể tiếp cận được nữa và sự tăng trưởng bị hạn chế. Do đó, các hành tinh quanh sao thông thường có giới hạn khối lượng không thể vượt qua. Điều này được gọi là "Khối lượng cô lập sỏi" (Pebble Isolation Mass).
Tuy nhiên, khu vực quanh lỗ đen thì quá dồi dào nguyên liệu. Vì vật liệu tràn lan khắp nơi, hành tinh không dừng tăng trưởng mà cứ tiếp tục nặng dần. Thậm chí, nó vượt qua cả khối lượng khởi đầu cần thiết để thực hiện phản ứng hợp hạch hydro. Ranh giới giữa hành tinh và ngôi sao bị xóa bỏ. Kết quả là, dù ban đầu chỉ là những hạt bụi, sỏi và đá, nhưng vì không thể dừng tăng trưởng, nó tiếp tục phát triển cho đến khi trở thành một ngôi sao thực thụ. Quanh lỗ đen, việc một hành tinh phát triển thành sao là hoàn toàn khả thi.
Thành phần hóa học của những thiên thể này còn kỳ lạ hơn nữa. Bụi trong thiên văn học thực chất khác với bụi đất thông thường. Đó là những hạt rắn được tạo thành từ các nguyên tố nặng hơn hydro và heli như silic, oxy, sắt, magie. Và thiên thể mới sinh ra quanh lỗ đen thực chất có thể coi là một khối được nhào nặn chỉ từ những nguyên tố nặng này. Tỷ lệ nguyên tố nặng thực chất là 100%!
Trong một số khu vực gần lỗ đen trong phạm vi 3 năm ánh sáng, có thể tạo ra những khối rắn thực sự nặng, không phải là hành tinh khí mà là những khối hoàn toàn làm từ đá và kim loại, dù khối lượng ở mức Sao Mộc. Từ khu vực xa hơn 30 năm ánh sáng, những thiên thể thuần túy là đá vượt qua khối lượng khởi đầu để thực hiện phản ứng hợp hạch hydro ngay từ đầu cũng có thể ra đời. Đáng ngạc nhiên là những khối khổng lồ này, dù khối lượng ngang ngửa ngôi sao, nhưng không phải là khối plasma làm từ hydro! Chúng gần như hoàn toàn là những khối kim loại khổng lồ được làm từ silicat và kim loại. Có lẽ chúng giống với "Death Star" trong phim hơn.
Liệu hình dáng của chúng sẽ như thế nào? Phần lõi có thể bị nén cực độ, rơi vào trạng thái thoái hóa như sao neutron hoặc sao lùn trắng. Bề mặt có thể bị nóng chảy do các đồng vị phóng xạ như Nhôm-26 giải phóng nhiệt, khiến toàn bộ khối đá nóng lên. Khi đó, bề mặt sẽ tràn ngập biển magma bao phủ khắp hành tinh, và khí thoát ra từ một số loại đá bay hơi có thể hình thành bầu khí quyển mỏng manh cho hành tinh. Các nhà thiên văn học gọi những thiên thể kỳ lạ có thể đang lởn vởn quanh lỗ đen này là "những giọt dung nham khổng lồ bị thoái hóa".
Vậy, liệu chúng ta có thể xác nhận sự tồn tại của những thiên thể kỳ lạ này qua quan sát không? Hiện tại vẫn chưa có cách nào phù hợp. Không giống như các hành tinh quay quanh những ngôi sao bình thường, việc tìm kiếm một hành tinh lởn vởn quanh lỗ đen cực kỳ mạnh mẽ là không hề dễ dàng. Bản thân nhân thiên hà hoạt động đã nằm ở khoảng cách rất xa ngoài thiên hà của chúng ta, và vì chúng sáng và mạnh hơn áp đảo so với hành tinh, nên việc quan sát trực tiếp các mảnh hành tinh nhỏ ẩn nấp xung quanh thực tế là không thể. Chúng ta có thể nhắm đến một dạng "transit" (quá cảnh), nơi độ sáng của tia X giảm xuống khi hành tinh che khuất nguồn phát tia X nhỏ quanh lỗ đen. Cho đến nay, đã có một vài nghiên cứu nhắc đến ứng cử viên hành tinh quanh lỗ đen, nhưng vẫn chưa có trường hợp nào được chính thức xác nhận cuối cùng.
Tuy nhiên, nhìn vào các điều kiện vật lý, có lẽ lỗ đen mới chính là nơi tạo ra số lượng hành tinh lớn nhất và liên tục nhất trong vũ trụ một cách nhiệt tình nhất. Hành tinh ngoài hệ Mặt Trời mà nhân vật chính ghé thăm trong phim 'Interstellar' cũng là một môi trường kỳ lạ, giữ được nhiệt độ nhờ nhận ánh sáng từ đĩa bồi tụ của lỗ đen ngay bên cạnh.
Có lẽ lâu nay chúng ta đã quá mắc kẹt trong những định kiến cũ kỹ khi nói về "hành tinh". Một hành tinh quay quanh quỹ đạo với một ngôi sao bình thường ở trung tâm như Trái Đất quay quanh Mặt Trời, xét trên toàn bộ vũ trụ, có khi lại là trường hợp hiếm nhất. Trong vũ trụ có vô số các "hành tinh lang thang" trôi dạt một mình trong không gian mà không có ngôi sao trung tâm. Thậm chí, quanh các lỗ đen siêu khối lượng ở tâm thiên hà, có thể các hành tinh khối kim loại mới, kỳ lạ hơn đang liên tục được sản sinh. Nếu chỉ xét dựa trên tiêu chuẩn ai đông hay ít hơn, thì có khi chính những hành tinh quay quanh các ngôi sao như chúng ta mới là thế giới hiếm hoi và kỳ lạ hơn.
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae6f0b
Tác giả Ji Woong-bae? Yêu mèo và vũ trụ. Sau khi xem 'Galaxy Express 999' khi còn nhỏ, anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh là giáo sư trợ giảng tại Khoa Nghiên cứu Tự do, Đại học Sejong, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như thuyết giảng và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Về sự vô dụng của nhà thiên văn học', 'Tất cả chúng ta sinh ra đều là nhà thiên văn học', 'Những câu hỏi kỳ lạ hiện lên khi ngắm nhìn vũ trụ' và dịch các tác phẩm như 'Tại sao tôi lại giết Sao Diêm Vương', 'Quantum Life', 'UFO'.