Kính thiên văn không gian Hubble của NASA và Đài quan sát tia X Chandra của NASA đã phối hợp để xác định một ví dụ khả thi mới về một loại lỗ đen hiếm gặp. Được đặt tên là NGC 6099 HLX-1, nguồn phát tia X sáng này dường như nằm trong một cụm sao nhỏ bên trong một thiên hà elip khổng lồ.
Chỉ vài năm sau khi được phóng vào năm 1990, Hubble đã phát hiện rằng các thiên hà trong khắp vũ trụ có thể chứa lỗ đen siêu nặng ở trung tâm, với khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần khối lượng của Mặt Trời. Ngoài ra, các thiên hà còn chứa đến hàng triệu lỗ đen nhỏ với khối lượng dưới 100 lần Mặt Trời, hình thành khi các ngôi sao lớn kết thúc vòng đời.
Khó quan sát hơn nhiều là các lỗ đen khối lượng trung bình (viết tắt là các IMBH), có khối lượng từ vài trăm đến vài trăm nghìn lần khối lượng của Mặt Trời. Loại lỗ đen “không quá to cũng không quá nhỏ” này thường không thể nhìn thấy vì chúng không nuốt quá nhiều khí và sao như các lỗ đen siêu nặng, vốn tạo ra bức xạ mạnh. Chúng chỉ có thể được phát hiện khi đang “ăn mồi” – cụ thể là trong các sự kiện gián đoạn triều, khi một ngôi sao vô tình đi ngang qua và bị xé toạc, giải phóng lượng lớn bức xạ.
Lỗ đen khối lượng trung bình mới nhất, được phát hiện khi đang "ăn nhẹ" trong dữ liệu kính thiên văn, nằm ở rìa ngoài của thiên hà NGC 6099, cách trung tâm thiên hà khoảng 40.000 năm ánh sáng, như được mô tả trong một nghiên cứu mới đăng trên Astrophysical Journal. Thiên hà này nằm cách Trái Đất khoảng 450 triệu năm ánh sáng, thuộc chòm sao Hercules.
Các nhà thiên văn học lần đầu tiên quan sát thấy một nguồn tia X bất thường trong hình ảnh chụp bằng Chandra vào năm 2009. Sau đó, họ theo dõi sự tiến hóa của nó bằng kính thiên văn không gian XMM-Newton của Cơ quan Không gian châu Âu (ESA).
“Các nguồn tia X có độ sáng cực cao như vậy rất hiếm gặp bên ngoài tâm thiên hà và có thể là đầu mối quan trọng để xác định các lỗ đen khối lượng trung bình - một mắt xích còn thiếu trong sự tiến hóa giữa lỗ đen khối lượng sao và lỗ đen siêu nặng,” tác giả chính Yi-Chi Chang từ Đại học Quốc gia Tsing Hua, Hsinchu, Đài Loan cho biết.
Nguồn tia X phát ra từ NGC 6099 HLX-1 có nhiệt độ khoảng 3 triệu độ, phù hợp với một sự kiện gián đoạn triều. Hubble đã tìm thấy bằng chứng về một cụm sao nhỏ xung quanh lỗ đen. Cụm này cung cấp “nguồn thức ăn” dồi dào cho lỗ đen, vì các ngôi sao ở đó nằm sát nhau đến mức chỉ cách nhau vài tháng ánh sáng (khoảng 800 tỷ km).
Lỗ đen được nghi ngờ là IMBH đã đạt độ sáng cực đại vào năm 2012 và sau đó tiếp tục suy giảm đến năm 2023. Tuy nhiên, các quan sát ở dải quang học và tia X trong khoảng thời gian này không trùng nhau, khiến cho việc giải thích thêm phần phức tạp. Lỗ đen có thể đã xé nát một ngôi sao bị bắt giữ, tạo thành một đĩa plasma biến đổi liên tục, hoặc cũng có thể là đã hình thành một đĩa chứa khí rơi vào lỗ đen khiến cho đĩa phát ra ánh sáng dao động.
“Nếu lỗ đen này đang ăn một ngôi sao, thì mất bao lâu để nuốt hết khí từ ngôi sao đó? Năm 2009, HLX-1 đã khá sáng. Đến năm 2012, nó sáng gấp khoảng 100 lần. Và sau đó thì lại mờ dần,” đồng tác giả Roberto Soria thuộc Viện Vật lý Thiên văn Quốc gia Ý (INAF) nói. “Vì vậy giờ chúng tôi phải chờ xem liệu nó có đang bùng sáng nhiều lần hay chỉ đơn giản là có một khởi đầu, đạt đỉnh, rồi từ từ lụi tàn cho đến khi biến mất.”
IMBH này nằm ở vùng rìa của thiên hà chủ, NGC 6099, cách trung tâm thiên hà khoảng 40.000 năm ánh sáng. Có khả năng tồn tại một lỗ đen siêu nặng ở trung tâm thiên hà, hiện đang “im ắng” và không nuốt bất kỳ ngôi sao nào.
Những viên gạch xây nên lỗ đen
Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng việc khảo sát các lỗ đen khối lượng trung bình có thể giúp tiết lộ cách mà các lỗ đen siêu nặng hình thành từ đầu. Có hai giả thuyết chính.
Một là: IMBH chính là “hạt giống” để xây dựng nên lỗ đen siêu nặng, bằng cách hợp nhất nhiều IMBH lại với nhau khi các thiên hà lớn hình thành bằng cách sáp nhập những thiên hà nhỏ hơn. Trong quá trình đó, lỗ đen ở trung tâm thiên hà cũng phát triển. Quan sát từ Hubble từng cho thấy một mối liên hệ tỉ lệ thuận: thiên hà càng lớn thì lỗ đen trung tâm càng lớn. Phát hiện mới này bổ sung vào bức tranh rằng các thiên hà có thể sở hữu những “IMBH vệ tinh” có quỹ đạo trong quầng của thiên hà, nhưng không phải lúc nào cũng rơi về trung tâm.
Giả thuyết còn lại cho rằng các đám mây khí ở trung tâm các quầng vật chất tối trong vũ trụ sơ khai không hình thành sao trước, mà sụp đổ trực tiếp thành lỗ đen siêu nặng. Khám phá của Kính thiên văn không gian James Webb về các lỗ đen rất xa với khối lượng lớn bất thường so với thiên hà chủ có xu hướng ủng hộ giả thuyết này.
Tuy nhiên, cũng có thể tồn tại thiên kiến quan sát, khi các lỗ đen siêu nặng là những đối tượng dễ phát hiện hơn ở khoảng cách xa, trong khi các lỗ đen nhỏ hơn quá mờ nhạt để quan sát được. Trên thực tế, có thể tồn tại nhiều cách khác nhau mà vũ trụ năng động của chúng ta đã dùng để xây dựng nên lỗ đen. Các lỗ đen siêu nặng sụp đổ trong vầng vật chất tối có thể phát triển theo cách rất khác so với những lỗ đen sống trong các thiên hà lùn, nơi quá trình bồi tụ vật chất vào lỗ đen có thể là cơ chế phát triển chính.
“Nếu may mắn, chúng ta sẽ phát hiện thêm nhiều lỗ đen trôi nổi đột nhiên sáng rực tia X do sự kiện gián đoạn thủy triều gây ra. Nếu thực hiện được một nghiên cứu thống kê, chúng ta có thể biết được có bao nhiêu IMBH tồn tại, tần suất chúng xé nát sao là bao nhiêu, và các thiên hà lớn đã phát triển như thế nào bằng cách hấp thụ các thiên hà nhỏ hơn,” Soria cho biết.
Vấn đề là Chandra và XMM-Newton chỉ quan sát được một phần nhỏ của bầu trời, nên rất ít khi phát hiện được các sự kiện gián đoạn triều - tức lúc lỗ đen đang nuốt sao. Đài quan sát Vera C. Rubin ở Chile - một kính thiên văn khảo sát toàn bầu trời do Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ điều hành - có thể phát hiện các sự kiện này ở dải ánh sáng quang học từ khoảng cách lên tới hàng trăm triệu năm ánh sáng. Các quan sát tiếp theo bằng Hubble và Webb có thể tiết lộ cụm sao xung quanh lỗ đen.
Bryan
Theo NASA
