Sử dụng dữ liệu lưu trữ từ kính thiên văn Gemini Bắc, một nhóm các nhà thiên văn học đã quan sát cặp lỗ đen siêu nặng lớn nhất từng được tìm thấy. Sự hợp nhất của hai lỗ đen siêu nặng là một hiện tượng đã được dự đoán từ lâu, mặc dù chưa bao giờ được quan sát. Cặp lỗ đen siêu nặng khổng lồ này cung cấp manh mối về lý do tại sao một sự kiện như vậy dường như không có khả năng xảy ra trong vũ trụ.
Gần như mọi thiên hà lớn đều chứa một lỗ đen siêu nặng ở trung tâm của nó. Khi hai thiên hà hợp nhất, lỗ đen của chúng có thể tạo thành một cặp, có nghĩa là chúng ở trong quỹ đạo ràng buộc với nhau. Các nhà khoa học cho rằng những cặp này cuối cùng sẽ hợp nhất, nhưng điều này chưa bao giờ được quan sát. Câu hỏi về việc một sự kiện như vậy có thể xảy ra hay không đã là đề tài thảo luận giữa các nhà thiên văn học trong nhiều thập kỷ.
Trong một bài báo mới được công bố trên The Astrophysical Journal (một tạp chí chuyên ngành có uy tín về Vật lý thiên văn), một nhóm các nhà thiên văn học đã trình bày cái nhìn mới đối với câu hỏi này.
Nhóm nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ kính thiên văn Gemini Bắc ở Hawai'i, một trong hai kính chính của Đài quan sát Quốc tế Gemini do NOIRLab vận hành, để phân tích một cặp lỗ đen siêu nặng nằm trong thiên hà elip B2 0402+379. Đây là cặp lỗ đen siêu nặng duy nhất từng được quan sát đủ chi tiết để thấy được cả hai đối tượng riêng biệt, và nó giữ kỷ lục về khoảng cách nhỏ nhất từng được đo trực tiếp - chỉ cách nhau có 24 năm ánh sáng. Mặc dù khoảng cách gần này báo hiệu một sự hợp nhất mạnh mẽ, nghiên cứu sâu hơn đã tiết lộ rằng cặp lỗ đen này đã bị ghìm lại ở khoảng cách này trong hơn ba tỷ năm qua, khiến người ta tự hỏi: Điều gì đã cản trở việc đó?
Để hiểu rõ hơn về cơ chế của hệ này và lý do việc hợp nhất bị trì hoãn, nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu lưu trữ từ máy quang phổ đa mục tiêu Gemini (viết tắt là GMOS) của kính Gemini Bắc, cho phép họ xác định vận tốc của các sao trong khu vực gần lỗ đen.
"Độ nhạy xuất sắc của GMOS cho phép chúng tôi lập bản đồ về sự gia tăng trong vận tốc của các sao khi nhìn sâu hơn vào trung tâm của thiên hà," Roger Romani, giáo sư vật lý tại Đại học Stanford và đồng tác giả của bài báo, nói. "Qua đó, chúng tôi có thể suy ra tổng khối lượng của các lỗ đen cư trú ở đó."
Nhóm nghiên cứu ước tính khối lượng tổng của cặp lỗ đen này là khoảng 28 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, khiến nó trở thành cặp lỗ đen lớn nhất từng được quan sát. Kết quả này không chỉ mang lại thông tin quý giá đối với việc tìm hiểu cách mà các cặp lỗ đen hình thành cũng như lịch sử của chính thiên hà có chứa chúng, nó còn củng cố lý thuyết đã được biết tới từ lâu rằng khối lượng của một cặp lỗ đen siêu nặng đóng một vai trò quan trọng trong việc trì hoãn quá trình sáp nhập.
Hiểu về cách hệ này hình thành có thể giúp dự đoán liệu chúng có thể hợp nhất hay không và nếu có thì là khi nào. Nhiều bằng chứng khác cũng cho thấy cặp lỗ đen này hình thành do sự sáp nhập trong quá khứ của các thiên hà.
Sau sáp nhập thiên hà, hai lỗ đen siêu nặng không va chạm trực tiếp. Thay vào đó, chúng bắt đầu tiến tới gần và đi vào một quỹ đạo ràng buộc lẫn nhau. Trong quá trình di chuyển liên tục quanh nhau, chúng dần mất năng lượng quỹ đạo vào tiến ngày càng gần nhau cho tới khi chỉ còn cách nhau vài năm ánh sáng Đó là khi chúng dần đi vào giai đoạn sáp nhập. Quá trình này đã được quan sát trực tiếp trong các cặp lỗ đen khối lượng sao - lần ghi nhận đầu tiên vào năm 2015 thông qua sóng hấp dẫn - nhưng chưa bao giờ việc này được ghi nhận trong một cặp lỗ đen siêu nặng.
Với kiến thức mới về khối lượng cực lớn của hệ này, nhóm nghiên cứu kết luận rằng cần có rất nhiều sao để làm chậm quỹ đạo của cặp lỗ đen. Trong quá trình đó, hai lỗ đen dường như đã ném ra gần như toàn bộ vật chất xung quanh, khiến trung tâm của thiên hà chỉ còn rất ít sao và khí. Không còn vật liệu nào khác có sẵn để làm chậm thêm quỹ đạo của cặp lỗ đen và do đó sự hợp nhất của chúng đã bị trì hoãn khi đang tới giai đoạn cuối.
Liệu cặp lỗ đen cuối cùng có tiếp tục tiến tới và hợp nhất sau vài triệu năm nữa hay là sẽ dừng ở quỹ đạo này vĩnh viễn là điều chưa được xác định. Nếu chúng hợp nhất, sóng hấp dẫn sinh ra sẽ mạnh hơn hàng trăm triệu lần so với những gì được tạo ra bởi các lỗ đen khối lượng sao.
Có thể cặp lỗ đen sẽ vượt qua khoảng cách cuối cùng thông qua một vụ sáp nhập thiên hà khác, qua đó bơm thêm vật liệu vào hệ, hoặc có thể là một lỗ đen thứ ba xuất hiện sẽ làm chậm quỹ đạo của cặp này và khiến chúng tiến nhanh hơn về phía nhau. Tuy nhiên, các quan sát cho thấy sự sáp nhập thiên hà trong tương lai không có khả năng xảy ra.
"Chúng tôi mong chờ những cuộc điều tra tiếp theo về lõi của B2 0402+379, chúng tôi sẽ xem có bao nhiêu khí có ở đó," Tirth Surti, sinh viên đại học Stanford và tác giả chính của bài báo, cho biết. "Điều này sẽ cho chúng tôi thêm cái nhìn về việc liệu các lỗ đen siêu nặng cuối cùng có hợp nhất hay sẽ mãi là một cặp như vậy."
Bryan
Theo Phys.org
