black hole

Một mô phỏng năng lượng cao được thực hiện gần đây gợi ý rằng những cánh tay xoắn của các thiên hà là nơi hút khí để cung cấp cho lỗ đen siêu nặng ở trung tâm của chúng.

Khởi đầu tại Đại học Northwestern, mô hình giả lập này lần đầu tiên chỉ ra rất chi tiết cách mà các luồng khí chảy trong vũ trụ đến trung tâm của một lỗ đen siêu nặng. Trong khi những mô hình khác đã mô phỏng cách các lỗ đen lớn lên, đây là chương trình mô phỏng máy tính đơn lẻ đầu tiên có đủ sức mạnh để giải thích một cách toàn diện các loại lực và yếu tố đóng vai trò trong việc tiến hóa của các lỗ đen siêu nặng.

Mô phỏng này cũng đưa ra cách nhìn sâu sắc về bản chất bí ẩn tự nhiên của các quasar, nơi có những lỗ đen cực kỳ sáng và phát triển nhanh. Là một trong những thiên thể sáng nhất trong vũ trụ, các quasar thậm chí còn sáng hơn cả toàn bộ các thiên hà.

“Ánh sáng chúng ta quan sát được từ các quasar ở xa phát ra khi khí rơi vào các lỗ đen siêu nặng và nóng lên trong quá trình này”, Claude-André Faucher-Giguère – một trong các đồng tác giả cao cấp của chương trình nghiên cứu thuộc Đại học Northwestern cho biết. “Những mô phỏng của chúng ta chỉ ra cấu trúc của thiên hà, ví dụ như các cánh tay xoắn, sử dụng dục lực hấp dẫn để “phanh các dòng khí” mà nếu không sẽ quay quanh trung tâm thiên hà mãi mãi. Cơ chế phá vỡ này cho phép các luồng khí này thay vì bị cuốn vào trong các lỗ đen và phanh hấp dẫn hoặc mô men xoắn, đủ mạnh để giải thích các quasar mà chúng ta quan sát được”.

Nghiên cứu được công bố ngày 17 tháng 8 trên Astrophysical Journal.

Faucher-Giguère là phó giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Khoa học và Nghệ thuật Weinberg của Northwestern và là thành viên của Trung tâm Khám phá và Nghiên cứu Liên ngành trong Vật lý Thiên văn (CIERA). Daniel Anglés-Alcázar, giáo sư tại Đại học Connecticut và cựu thành viên CIERA trong nhóm của Faucher-Giguère, là tác giả chính của bài báo.

Với khối lượng tương đương với hàng triệu hay hàng tỉ Mặt Trời, các lỗ đen siêu nặng có thể nuốt chứng khối lượng gấp 10 lần Mặt Trời chỉ trong một năm. Nhưng trong khi một vài lỗ đen siêu nặng được cung cấp thức ăn liên tục, số khác lại không hoạt động trong hàng triệu năm, chỉ thức giấc với một dòng khí ngẫu nhiên. Các chi tiết về cách các dòng khí chạy trong vũ trụ để cung cấp thức ăn cho các lỗ đen siêu nặng vẫn là một câu hỏi lâu nay.

Để giải quyết bí ẩn này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô phỏng mới, kết hợp nhiều quá trình vật lý quan trọng – bao gồm cả sự giãn nở của vũ trụ và môi trường thiên hà trên quy mô lớn, các cơ chế động học dưới tác dụng của hấp dẫn và sự phản hồi của các sao nặng – vào một mô hình.

“Những sự kiện mạnh mẽ như supernova bơm rất nhiều năng lượng vào môi trường xung quanh, và việc này ảnh hưởng đến cách các thiên hà tiến hóa," Anglés-Alcázar nói. “Vì vậy chúng ta cần kết hợp tất cả các chi tiết và tiến trình vật lý này để chụp được một bức ảnh chính xác”.

Được xây dựng dựa trên công việc trước đó tại dự án FIRE(“Phản hồi từ môi trường thực tế”), công nghệ mới đã làm tăng đáng kể độ phân giải của mô hình và cho phép theo dõi dòng khí khi nó di chuyển xuyên qua các thiên hà với độ phân giải tốt hơn 1000 lần so với trước đây.

“Các mô phỏng khác có thể nói cho bạn rất nhiều chi tiết về chuyện gì đang diễn ra rất gần các lỗ đen, nhưng chúng không chứa các thông tin về những gì của phần còn lại của thiên hà đang diễn ra và thậm chí ít thông tin về môi trường bao quanh thiên hà”, Anglés-Alcázar nói. “Hóa ra, điều đó lại rất quan trọng trong việc kết nối các quá trình trong cùng một thời điểm”.

“Sự tồn tại của các lỗ đen siêu nặng thực sự thú vị, tuy nhiên vẫn chưa có sự thống nhất về cách chúng hình thành”, Faucher-Giguère cho biết. “Lý do các lỗ đen siêu nặng rất khó giải thích là việc hình thành chúng đòi hỏi phải nhồi nhét một lượng vật chất khổng lồ vào một không gian nhỏ. Làm thế nào vũ trụ xoay sở để làm được việc đó? Cho đến nay, các nhà vật lý lý thuyết đã phát triển các giải thích dựa trên việc chắp vá các ý tưởng khác nhau về cách vật chất trong các thiên hà bị nhồi nhét vào trong một phần triệu kích thước của một thiên hà”.

Với những mô phỏng mới, các nhà nghiên cứu cuối cùng đã có thể mô hình hóa cách điều này xảy ra. Ví dụ, mô phỏng mới sẽ giúp các nhà nghiên cứu hiểu về nguồn gốc của lỗ đen siêu nặng tại trung tâm của thiên hà Milky Way của chúng ta cũng như lỗ đen =tại trung tâm của thiên hà Messier 87 rất nổi tiếng được chụp bởi dự án Kính thiên văn Chân trời sự kiện vào năm 2019. Tiếp theo đó, các nhà nghiên cứu hướng mục tiêu đến việc nghiên cứu các quần thể thiên hà lớn theo thống kê và các lỗ đen ở trung tâm của chúng để hiểu hơn về cách các lỗ đen hình thành và phát triển ở các điều kiện khác nhau.

Dương Lê Quang
Theo Science Daily