Dự án Kính Thiên Văn Chân Trời Sự Kiện (Event Horizon Telescope - EHT), với sự đóng góp quan trọng từ Viện Thiên văn Vô tuyến Max Planck (MPIfR), đã công bố những hình ảnh mới, chi tiết về lỗ đen siêu nặng nằm tại trung tâm của thiên hà M87. Những hình ảnh này cho thấy một môi trường đầy biến động với các mô hình phân cực thay đổi liên tục gần lỗ đen. Lần đầu tiên trong dữ liệu của EHT, các nhà khoa học cũng phát hiện ra dấu hiệu của bức xạ dạng phản lực mở rộng gần gốc tia - nơi tia này nối liền với vành đai xung quanh lỗ đen.
Những quan sát mới này, được công bố trên tạp chí Astronomy & Astrophysics, mang đến những hiểu biết mới về cách mà vật chất và năng lượng vận động trong môi trường khắc nghiệt xung quanh lỗ đen.
Nằm cách Trái Đất khoảng 55 triệu năm ánh sáng, M87 chứa một lỗ đen siêu nặng có khối lượng hơn 6 tỷ lần khối lượng Mặt Trời. EHT - một mạng lưới toàn cầu của các kính thiên văn vô tuyến hoạt động như một đài quan sát có kích thước tương đương Trái Đất - lần đầu tiên ghi lại hình ảnh mang tính biểu tượng về cái bóng của lỗ đen trong M87 vào năm 2019, và sau đó bổ sung các bản đồ phân cực vào năm 2021.
Trong thiên văn học, phân cực là thuật ngữ chỉ hướng dao động của sóng ánh sáng, có thể tiết lộ cấu trúc và cường độ của các từ trường trong không gian. Hiện nay, bằng cách so sánh các quan sát từ năm 2017, 2018 và 2021, các nhà khoa học đã tiến thêm một bước trong việc khám phá cách các từ trường gần lỗ đen thay đổi theo thời gian.
Sự thay đổi mô hình phân cực của M87*
Từ năm 2017 đến 2021, mô hình phân cực đã bất ngờ đảo chiều. Năm 2017, các từ trường dường như xoắn theo một chiều; đến năm 2018, chúng ổn định; và đến năm 2021, chúng đảo ngược, xoắn theo hướng ngược lại. Những thay đổi này có thể bắt nguồn từ chính cấu trúc từ trường của lỗ đen và từ vật chất xen giữa làm xoắn phân cực ánh sáng trên hành trình đến Trái Đất.
Tổng hợp lại, những biến đổi này cho thấy một môi trường tiến hóa và hỗn loạn, trong đó từ trường đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển cách vật chất rơi vào lỗ đen và cách năng lượng được dẫn vào tia phản lực đang di chuyển ra ngoài. Hành vi bất ngờ này đặt ra thách thức cho các mô hình hiện tại và nhấn mạnh rằng còn rất nhiều điều chưa được hiểu rõ về các quá trình gần chân trời sự kiện.
“Điều đáng chú ý là kích thước của vành đai vẫn giữ nguyên qua nhiều năm, việc đó xác nhận cái bóng của lỗ đen được tiên đoán bởi thuyết tương đối của Einstein, trong khi mô hình phân cực lại thay đổi rõ rệt,” Paul Tiede, nhà thiên văn tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard & Smithsonian, đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Điều này cho thấy plasma có từ tính xoáy quanh chân trời sự kiện không hề tĩnh; nó rất năng động và phức tạp, buộc các mô hình lý thuyết của chúng ta phải được mở rộng hết mức.”
“Mỗi năm, chúng tôi đều cải tiến EHT với các kính thiên văn bổ sung, nâng cấp thiết bị, ý tưởng khoa học mới và các thuật toán tiên tiến hơn để khai thác dữ liệu hiệu quả hơn,” Michael Janssen, đồng tác giả chính tại Đại học Radboud Nijmegen, cũng là thành viên MPIfR, bổ sung. “Trong nghiên cứu này, tất cả những yếu tố đó đã kết hợp hài hòa để tạo ra những kết quả khoa học mới và cả những câu hỏi mới, chắc chắn sẽ giữ chân chúng tôi bận rộn trong nhiều năm tới.”
“Các tia phản lực như ở M87 đóng vai trò quan trọng trong việc định hình sự tiến hóa của các thiên hà chủ. Bằng cách điều tiết quá trình tạo sao và phân phối năng lượng trên những khoảng cách khổng lồ, chúng ảnh hưởng đến chu kỳ tồn tại của vật chất trên quy mô vũ trụ,” Eduardo Ros từ MPIfR giải thích. “Vì tia phản lực của M87* phát xạ trên toàn bộ phổ điện từ, từ sóng vô tuyến đến tia gamma và cả neutrino, nên nó là một phòng thí nghiệm lý tưởng để nghiên cứu cách các hiện tượng dữ dội của vũ trụ như vậy hình thành và phát triển.”
Hình ảnh lỗ đen của M87 theo dữ liệu từng năm của EHT (hình ảnh đầu tiên bắt đầu thực hiện vào năm 2017 nhưng năm 2019 mới được công bố).
Hai kính thiên văn mới trong mạng lưới EHT
Quan trọng nhất, trong các quan sát EHT năm 2021 có sự tham gia của hai kính thiên văn mới là Kitt Peak ở Arizona và NOEMA ở Pháp. Chúng giúp tăng độ nhạy và độ rõ nét của hình ảnh. Điều này cho phép các nhà khoa học lần đầu tiên xác định được hướng phát xạ từ gốc của tia phản lực tương đối tính của M87* - một chùm hạt năng lượng cao phóng ra từ lỗ đen với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Các cải tiến kỹ thuật tại Kính thiên văn Greenland và Kính thiên văn James Clerk Maxwell cũng góp phần nâng cao chất lượng dữ liệu trong năm 2021.
Những hình ảnh tích lũy qua nhiều năm này đã làm sâu sắc thêm hiểu biết của chúng ta về một trong những môi trường khắc nghiệt nhất trong vũ trụ. Chúng vừa xác nhận các tiên đoán của Einstein, vừa hé lộ những phức tạp mới trong từ trường và quá trình hình thành tia phản lực, mang đến cái nhìn chưa từng có về khu vực gần sát với lỗ đen.
J. Anton Zensus, Chủ tịch sáng lập của EHT và Giám đốc tại MPIfR, kết luận:
“Những kết quả mới nhất này minh họa một cách sinh động cho tính năng động đáng kinh ngạc quanh một lỗ đen siêu nặng. Những thay đổi trong mô hình phân cực và những quan sát đầu tiên về gốc tia phản lực đang đưa chúng ta đến gần hơn với việc hiểu rõ mối liên hệ giữa từ trường, quá trình bồi tụ vật chất, và sự hình thành tia phản lực. Chúng cũng cho thấy giá trị to lớn của hợp tác quốc tế lâu dài và đổi mới kỹ thuật bền vững trong thiên văn vô tuyến, mở ra những cánh cửa hoàn toàn mới để khám phá vũ trụ.”
Bryan
Theo Phys.org
Đọc thêm bài: Lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu.
Tham khảo chi tiết về các lỗ đen trong sách Xa hơn Mây Oort: Tới ranh giới của không gian và thời gian.
