Thiên hà Circinus, một thiên hà cách Trái Đất khoảng 13 triệu năm ánh sáng, chứa một lỗ đen siêu nặng đang hoạt động và tiếp tục ảnh hưởng đến quá trình tiến hóa của nó. Trước đây, nguồn phát ra lượng ánh sáng hồng ngoại lớn nhất từ khu vực gần lỗ đen nhất được cho là các luồng vật chất cực nóng được phun từ phía trong ra bên ngoài.
Tuy nhiên, những quan sát mới từ kính thiên văn không gian James Webb của NASA/ESA/CSA, được minh họa qua hình ảnh mới từ kính thiên văn không gian Hubble, đã cung cấp bằng chứng đảo ngược giả thuyết này, cho thấy rằng phần lớn vật chất bụi nóng đang thực sự được lỗ đen trung tâm "nuốt vào". Kỹ thuật được sử dụng để thu thập dữ liệu này cũng có tiềm năng phân tích riêng biệt các thành phần luồng phun và bồi tụ của các lỗ đen gần khác.
Nghiên cứu này, bao gồm hình ảnh sắc nét nhất từng chụp được về vùng xung quanh một lỗ đen bởi Webb, đã được công bố trên Nature Communications.
Câu hỏi về luồng phun
Các lỗ đen siêu nặng như ở thiên hà Circinus duy trì trạng thái hoạt động bằng cách hấp thụ vật chất xung quanh. Khí và bụi rơi vào lỗ đen tích tụ thành một vành đai hình bánh vòng (bánh doughnut) xung quanh nó, gọi là "torus".
Khi các lỗ đen siêu nặng hút vật chất từ các thành phần bên trong của torus, chúng hình thành một đĩa bồi tụ, tương tự như dòng nước xoáy quanh lỗ thoát nước. Đĩa này nóng lên do ma sát và cuối cùng nóng đến mức phát ra ánh sáng.
Vật chất phát sáng này có thể trở nên sáng đến mức khiến việc quan sát chi tiết trung tâm thiên hà bằng các kính thiên văn mặt đất trở nên khó khăn. Việc quan sát còn phức tạp hơn do ánh sáng từ các ngôi sao trong thiên hà Circinus rất mạnh và làm lu mờ mọi thứ xung quanh.
Hơn nữa, vì torus cực kỳ dày đặc nên khu vực bên trong của vật chất đang rơi vào, được làm nóng bởi lỗ đen, bị che khuất khỏi tầm nhìn của chúng ta. Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn học phải vật lộn với những khó khăn này, liên tục thiết kế và cải thiện các mô hình thiên hà Circinus với lượng dữ liệu hạn chế thu được.
"Để nghiên cứu lỗ đen siêu nặng, dù không thể quan sát trực tiếp, họ phải đo cường độ tổng thể của vùng trung tâm thiên hà trên một dải bước sóng rộng, rồi đưa dữ liệu đó vào các mô hình," Enrique Lopez-Rodriguez, tác giả chính của nghiên cứu đến từ Đại học South Carolina, cho biết.
Các mô hình ban đầu chỉ khớp với quang phổ từ các khu vực cụ thể, chẳng hạn như phát xạ từ torus, từ đĩa bồi tụ gần lỗ đen, hoặc từ các luồng vật chất phun ra, được phát hiện ở những bước sóng ánh sáng nhất định.
Tuy nhiên, vì không thể quan sát toàn bộ khu vực này, các mô hình này đã để lại nhiều câu hỏi chưa được giải đáp ở nhiều bước sóng. Ví dụ, một số kính thiên văn có thể phát hiện ánh sáng hồng ngoại dư thừa, nhưng không đủ độ phân giải để xác định chính xác nó phát ra từ đâu.
“Kể từ những năm 1990, chưa có lời giải thích thỏa đáng cho hiện tượng phát xạ hồng ngoại dư thừa từ bụi nóng tại trung tâm các thiên hà hoạt động, nghĩa là các mô hình chỉ xem xét torus hoặc luồng vật chất phun ra, nhưng không giải thích được phần dư thừa đó,” Lopez-Rodriguez nói.
Các mô hình đó kết luận rằng phần lớn phát xạ (và do đó là khối lượng) gần trung tâm đến từ các luồng phun ra. Để kiểm nghiệm giả thuyết này, các nhà thiên văn học cần hai điều: khả năng lọc bỏ ánh sáng sao gây cản trở trước đây và khả năng phân biệt phát xạ hồng ngoại từ torus với phát xạ từ luồng vật chất phun ra. Webb, với độ nhạy cao và công nghệ tiên tiến, là công cụ cần thiết để vượt qua cả hai thách thức này.
Kỹ thuật đột phá của Webb
Để quan sát trung tâm của Circinus, Webb đã sử dụng công cụ Giao thoa kế Che khẩu độ (AMI) tích hợp trong thiết bị NIRISS (Máy ảnh cận hồng ngoại và Quang phổ không khe).
Trên Trái Đất, các giao thoa kế thường là các hệ thống kính thiên văn: các gương hoặc ăng-ten hoạt động cùng nhau như thể chúng là một kính thiên văn duy nhất. Một giao thoa kế làm điều này bằng cách thu thập và kết hợp ánh sáng từ nguồn đang được quan sát, tạo ra hiện tượng nhiễu xạ giữa các sóng điện từ, hình thành nên các mẫu giao thoa.
Những mẫu giao thoa này có thể được các nhà thiên văn học phân tích để tái tạo kích thước, hình dạng và đặc điểm của các vật thể ở xa với độ chi tiết lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật không giao thoa.
Công cụ AMI cho phép Webb hoạt động như một hệ thống kính thiên văn nhỏ phối hợp với nhau, tự tạo ra các mẫu giao thoa. Nó thực hiện điều này bằng cách sử dụng một khẩu độ đặc biệt gồm bảy lỗ nhỏ hình lục giác, giống như trong nhiếp ảnh, điều khiển lượng và hướng của ánh sáng đi vào các bộ cảm biến của kính thiên văn.
“Những lỗ này trong khẩu độ hoạt động như những bộ thu nhỏ của ánh sáng, dẫn ánh sáng đến bộ cảm biến của máy ảnh và tạo ra mẫu giao thoa,” Joel Sanchez-Bermudez, đồng tác giả nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Mexico, cho biết.
Với dữ liệu mới trong tay, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một hình ảnh từ các mẫu giao thoa tại vùng trung tâm. Để thực hiện điều này, họ tham khảo dữ liệu từ các quan sát trước đó để đảm bảo dữ liệu từ Webb không bị nhiễu hoặc sai lệch. Kết quả là lần quan sát ngoài thiên hà đầu tiên bằng giao thoa kế hồng ngoại trong không gian.
“Bằng cách sử dụng một chế độ hình ảnh tiên tiến của máy ảnh, chúng tôi có thể tăng gấp đôi độ phân giải của nó trên một khu vực nhỏ hơn của bầu trời,” Sanchez-Bermudez nói. “Điều này giúp chúng tôi thấy các hình ảnh sắc nét gấp đôi. Thay vì sử dụng đường kính 6,5 mét của Webb, thì như thể chúng tôi đang quan sát khu vực này bằng một kính thiên văn không gian có đường kính 13 mét.”
Dữ liệu cho thấy, trái với các mô hình dự đoán rằng ánh sáng hồng ngoại dư thừa đến từ luồng vật chất phun ra, khoảng 87% phát xạ hồng ngoại từ bụi nóng trong Circinus đến từ các vùng gần lỗ đen nhất, trong khi chưa đến 1% đến từ các luồng bụi nóng phun ra. 12% còn lại đến từ những khu vực xa hơn mà trước đây không thể phân biệt được.
“Đây là lần đầu tiên chế độ tương phản cao của Webb được sử dụng để quan sát một nguồn ngoài thiên hà,” Julien Girard, đồng tác giả nghiên cứu và là nhà khoa học cao cấp tại Viện Khoa học Kính thiên văn không gian, cho biết.
“Chúng tôi hy vọng công trình của mình sẽ truyền cảm hứng cho các nhà thiên văn học khác sử dụng chế độ AMI để nghiên cứu những cấu trúc bụi mờ nhạt, nhưng tương đối nhỏ, xung quanh các vật thể sáng.”
Vũ trụ của những lỗ đen
Dù bí ẩn về phát xạ dư thừa của Circinus đã được giải đáp, vũ trụ của chúng ta còn có hàng tỷ lỗ đen khác. Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng, với độ sáng nội tại khác nhau, các lỗ đen này có thể có phát xạ chủ yếu đến từ torus hoặc luồng phun ra.
“Đĩa bồi tụ của lỗ đen trong Circinus có độ sáng nội tại ở mức trung bình,” Lopez-Rodriguez nói. “Vì thế, thật hợp lý khi phát xạ bị chi phối bởi torus. Nhưng có thể, đối với những lỗ đen sáng hơn, phát xạ lại bị chi phối bởi luồng phun ra.”
Với nghiên cứu này, các nhà thiên văn học giờ đã có trong tay một kỹ thuật đã được kiểm chứng để điều tra bất kỳ lỗ đen nào họ muốn, miễn là chúng đủ sáng để công cụ AMI có thể phát huy tác dụng. Việc nghiên cứu thêm nhiều mục tiêu sẽ rất cần thiết để xây dựng một cơ sở dữ liệu phát xạ, từ đó xác định xem kết quả từ Circinus là độc nhất hay đại diện cho một quy luật phổ biến.
“Chúng ta cần một mẫu thống kê các lỗ đen, có thể là một hoặc hai chục, để hiểu được mối liên hệ giữa khối lượng trong đĩa bồi tụ và luồng phun ra của chúng với độ mạnh của lỗ đen,” Lopez-Rodriguez nói.
Tuấn Phong
Theo Phys.org
