Nhờ vào kỹ thuật chụp ảnh HDR (high dynamic range - tiêu chuẩn chụp ảnh với nhiều dải nhạy sáng động mở rộng cho phép các chi tiết hiển thị rõ nét trong vùng sáng và vùng tối) mà lần đầu tiên, một nhóm các nhà thiên văn ở Nhật Bản đã phát hiện thấy một luồng bức xạ vô tuyến mờ nhạt xung quanh một thiên hà khổng lồ chứa lỗ đen giàu năng lượng ở trung tâm của nó. Bức xạ vô tuyến này được giải phóng từ lượng khí do chính lỗ đen ở trung tâm trực tiếp tạo ra. Nhóm nghiên cứu hi vọng sẽ tìm được lời giải đáp về cách mà một lỗ đen có thể tương tác với thiên hà chủ của mình thông qua việc áp dụng kỹ thuật tương tự này đối với các quasar (nguồn phát năng lượng cực lớn có dịch chuyển đỏ rất cao bao quanh các lỗ đen siêu nặng ở trung tâm của các thiên hà) khác.
3C273 - nằm cách Trái Đất khoảng 2,4 tỷ năm ánh sáng (trong chòm sao Virgo) là một quasar. Quasar là vùng nhân của thiên hà được cho là chứa một lỗ đen siêu nặng ở trung tâm của nó. Lỗ đen này nuốt chửng vật chất xung quanh thiên hà chủ và giải phóng ra lượng bức xạ cực lớn. Trái ngược với cái tên nhạt nhẽo của nó, 3C273 là quasar đầu tiên từng được phát hiện. Nó là thiên thể sáng nhất và là đối tượng tốt nhất cho việc nghiên cứu. Quasar này là một trong những nguồn được quan sát thường xuyên nhất bằng các kính thiên văn vì nó có thể được sử dụng làm mốc định vị trên bầu trời. Nói cách khác, 3C273 là một ngọn hải đăng vô tuyến.
Khi bạn nhìn vào đèn pha của một chiếc ô tô thì độ sáng chói của nó sẽ khiến bạn khó thấy vùng xung quanh tối hơn. Điều này cũng xảy ra tương tự khi bạn sử dụng kính thiên văn để quan sát các thiên thể sáng. Dải nhạy sáng động biểu thị sự tương phản giữa các tông màu sáng nhất và tối nhất trong một tấm ảnh. Vì vậy, kính thiên văn của bạn cần có một dải nhạy sáng động mở rộng để cả phần sáng lẫn phần tối được hiển thị rõ nét trong một lần chụp. ALMA (Atacama Large Millimeter Array - một giao thoa kế thiên văn gồm 66 kính thiên văn vô tuyến hoạt động ở dải bước sóng milimet nằm ở sa mạc Atacama của Chile) đạt được dải nhạy sáng lên tới khoảng 100, nhưng các máy ảnh kỹ thuật số có sẵn trên thị trường thường có dải nhạy sáng tới khoảng vài nghìn. Vì vậy, các kính thiên văn vô tuyến không phải là công cụ tốt nhất trong việc quan sát các thiên thể có độ tương phản đáng kể.
Trong nhiều thập kỷ qua, 3C273 được biết tới như là quasar nổi tiếng nhất, nhưng những gì chúng ta biết về quasar này cũng chỉ là vùng nhân trung tâm sáng của nó - nơi phát ra hầu hết các bước sóng vô tuyến. Tuy nhiên, chúng ta không có sự hiểu biết nhiều về chính thiên hà chủ của 3C273 vì sự kết hợp giữa một thiên hà khuếch tán mờ nhạt với nhân 3C273 cần tới chế độ chụp ảnh HDR như vậy mới có thể phát hiện được. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật được gọi là tự hiệu chỉnh để làm giảm đi sự rò rỉ của sóng vô tuyến khi phát ra từ quasar 3C273 và truyền tới thiên hà của chúng ta, trong đó các nhà nghiên cứu đã sử dụng chính 3C273 để điều chỉnh những ảnh hưởng do dao động khí quyển trên Trái Đất gây ra đối với hệ thống kính thiên văn. Các dao động này có dải nhạy sáng động đạt tới 85000 - một kỷ lục mà ALMA chụp được về các thiên thể nằm ngoài thiên hà Milky Way.
Hình ảnh quasar 3C273 do Kính thiên văn Không gian Hubble (HST) chụp (trái) / Hình ảnh ở bước sóng vô tuyến của nó do ALMA chụp, cho thấy các luồng bức xạ vô tuyến mở rộng mờ (màu trắng xanh) xung quanh vùng nhân (phải). Bản quyền hình ảnh: Komugi et al., HST của NASA/ESA.
Nhờ vào kỹ thuật chụp ảnh HDR mà nhóm nghiên cứu đã phát hiện thấy luồng bức xạ vô tuyến mờ nhạt có đường kính hàng chục nghìn năm ánh sáng quanh thiên hà chủ của quasar 3C273. Sự phát xạ vô tuyến quanh các quasar thường làm liên tưởng tới bức xạ synchrotron - một loại bức xạ phát ra từ những sự kiện năng lượng cao như các vụ nổ hình thành sao hay các vụ phun trào dưới dạng chùm tia mở rộng của các dòng vật chất bị ion hóa chuyển động cực nhanh dọc theo trục quay phát ra từ vùng nhân trung tâm. Những vụ phun trào bức xạ synchrotron này cũng xảy ra trong nhân 3C273, được nhìn thấy ở góc phía dưới bên phải của hình ảnh (trái). Một đặc điểm quan trọng của bức xạ synchrotron là độ sáng của nó thay đổi theo tần số, nhưng luồng bức xạ vô tuyến mờ nhạt do nhóm nghiên cứu phát hiện lại có độ sáng không đổi dù cho tần số vô tuyến là bao nhiêu.
Sau khi xem xét các cơ chế khác nhau thì nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng các luồng bức xạ vô tuyến mờ nhạt mở rộng này xuất phát từ lượng khí hydro được cung cấp năng lượng trực tiếp bởi nhân 3C273 . Đây là lần đầu tiên sóng vô tuyến từ một cơ chế như vậy được tìm thấy có đường kính lên tới hàng chục nghìn năm ánh sáng nằm trong thiên hà chủ của một quasar. Các nhà thiên văn đã theo dõi hiện tượng này quanh ngọn hải đăng vũ trụ điển hình 3C273 trong nhiều thập kỷ qua.
Vậy tại sao phát hiện này lại quan trọng tới vậy? Vì đây có thể là lời giải đáp cho một bí ẩn lớn trong thiên văn học về các thiên hà là liệu năng lượng phát ra từ nhân quasar có thể đủ mạnh để ức chế khả năng hình thành của các sao trong đó hay không. Các luồng bức xạ vô tuyến mờ nhạt có thể giúp làm sáng tỏ nghi vấn này. Khí hydro là một thành phần thiết yếu của quá trình tạo sao, nhưng nếu có một nguồn sáng cường độ cao chiếu vào khiến lượng khí hydro này bị phân ly (ion hóa) thì có thể sẽ không có ngôi sao nào được sinh ra. Để nghiên cứu xem liệu quá trình này có xảy ra quanh các quasar hay không thì các nhà thiên văn đã sử dụng ánh sáng quang học do khí ion hóa phát ra. Nhưng vấn đề khi làm việc với ánh sáng quang học là bụi vũ trụ sẽ hấp thụ lượng ánh sáng này trên đường tới kính thiên văn nên vì vậy rất khó biết được lượng ánh sáng mà khí ion hóa phát ra là bao nhiêu.
Hơn nữa, cơ chế phát ra ánh sáng quang học rất phức tạp nên điều này buộc các nhà thiên văn phải đưa ra rất nhiều giả thiết. Các sóng vô tuyến được phát hiện trong nghiên cứu này có nguồn gốc từ cùng một loại khí được hình thành từ các quá trình đơn giản và không bị bụi vũ trụ hấp thụ. Sử dụng sóng vô tuyến sẽ giúp việc đo lượng khí ion hóa do nhân 3C273 tạo ra dễ dàng hơn nhiều. Trong nghiên cứu này, các nhà thiên văn nhận thấy rằng ít nhất 7% ánh sáng phát ra từ 3C273 đã bị khí trong thiên hà chủ hấp thụ, tạo ra lượng khí ion hóa có khối lượng gấp 10 - 100 tỷ lần Mặt Trời. Tuy nhiên, 3C273 đã sở hữu rất nhiều khí ngay trước khi các sao được hình thành. Vì vậy, xét về tổng thể thì sự hình thành sao không giống như bị nhân quasar ức chế mạnh mẽ.
Shinya Komugi - giáo sư tại Đại học Kogakuin (Nhật Bản) và là tác giả chính của nghiên cứu được công bố trên The Astrophysical Journal (một loại tạp chí chuyên ngành về vật lý thiên văn) cho biết: “Phát hiện này mở ra một con đường mới để nghiên cứu các vấn đề trước đây mà được giải quyết nhờ việc sử dụng các quan sát bằng ánh sáng quang học. Bằng việc áp dụng kỹ thuật tương tự vào các quasar khác, chúng tôi hy vọng sẽ hiểu được cách mà một thiên hà tiến hóa thông qua sự tương tác của nó với vùng nhân ở trung tâm.”
Hồng Anh
Theo phys.org
