Lý thuyết cho thấy các ngôi sao có thể sụp đổ trực tiếp thành lỗ đen mà không cần phát nổ thành supernova trước. Thực ra, đây có thể là hiện tượng xảy ra tương đối phổ biến. Tuy vậy, các nhà thiên văn mới chỉ có rất ít bằng chứng quan sát để ủng hộ ý tưởng này.
Nhưng điều đó có thể đã xảy ra ngay tại thiên hà Andromeda, thiên hà “hàng xóm” của chúng ta và các nhà thiên văn suýt nữa đã bỏ sót nó.
Năm 2014, sứ mệnh Kính thiên văn hồng ngoại khảo sát trường rộng theo dõi các vật thể gần Trái Đất (Near-Earth Object Wide-Field Infrared Survey Explorer, viết tắt là NEOWISE) của NASA quan sát thấy một ngôi sao trong thiên hà Andromeda trở nên sáng hơn ở dải sóng hồng ngoại. Các quan sát này nằm trong dữ liệu của kính và chỉ mới được phát hiện lại gần đây. Một nhóm các nhà thiên văn khi lọc dữ liệu NEOWISE để tìm các nguồn biến thiên đã phát hiện M31-2014-DS1, một sao siêu khổng lồ trong Andromeda, có vẻ đã sụp đổ trực tiếp thành một lỗ đen.
Kết quả được trình bày trong nghiên cứu “Disappearance of a massive star in the Andromeda Galaxy due to formation of a black hole” (tạm dịch: Sự biến mất của một sao khối lượng lớn trong thiên hà Andromeda do hình thành lỗ đen), công bố trên tạp chí Science. Tác giả chính là Kishalay De, giáo sư thiên văn tại Đại học Columbia.
Nhóm nghiên cứu khảo sát các ảnh chụp liên tiếp của M31 để tìm các nguồn biến thiên. Ảnh được chụp mỗi 6 tháng từ năm 2009 đến 2022. “Dựa trên chuỗi quan sát cách nhau 6 tháng giai đoạn 2009-2022, chúng tôi tìm kiếm các nguồn thoáng qua sáng ở vùng trung hồng ngoại (MIR) có thể đi kèm các vụ bùng phát sao giàu bụi như “supernova bất thành” (failed SN),” họ giải thích. Nhóm phát hiện M31-2014-DS1, và trong hai năm bắt đầu từ 2014, thông lượng trung hồng ngoại của nguồn tăng 50%.
Sau hai năm sáng lên, nó mờ đi xuống thấp hơn mức ban đầu chỉ trong một năm. Quá trình mờ dần tiếp diễn cho đến năm 2022.
Hình này cho thấy vị trí và sự biến mất của M31-2014-DS1. Ảnh PanSTARRS chính cho thấy đối tượng trong thiên hà Andromeda. Sáu khung ở bên phải thuộc các năm khác nhau và cho thấy đối tượng ở các bước sóng khác nhau, tại các thời điểm khác nhau. Chúng thể hiện quá trình đối tượng dần biến mất. Nguồn ảnh: De và cộng sự, 2026, Science.
“Có lẽ đây là phát hiện gây bất ngờ nhất trong đời tôi,” De nói trong một thông cáo. “Bằng chứng cho thấy ngôi sao biến mất đã nằm trong dữ liệu lưu trữ công khai, nhưng không ai nhận ra suốt nhiều năm cho đến khi chúng tôi tìm ra.”
Khu vực này vốn được nhiều kính thiên văn mặt đất và không gian quan sát kỹ lưỡng, nên nhóm đã sử dụng các dữ liệu đó để dựng đường cong ánh sáng khả kiến của đối tượng. Trong giai đoạn 2016-2019, độ sáng khả kiến của nó giảm khoảng 100 lần. Đến năm 2023, đối tượng không còn được phát hiện trong các quan sát quang học từ mặt đất.
Hubble tình cờ chụp khu vực này vào 2022 và không thấy gì ở vùng ánh sáng khả kiến, chỉ thấy một nguồn rất mờ ở cận hồng ngoại (NIR). Các quan sát và phân tích quang phổ NIR tiếp theo vào năm 2023 bằng kính thiên văn Keck xác nhận có một nguồn sáng NIR yếu.
Hình này trình bày các quan sát theo thời gian từ nhiều kính thiên văn khác nhau, cho thấy đối tượng mờ đi một cách rõ rệt. Nguồn ảnh: De và cộng sự, 2026, Science
“Sự mờ đi mạnh trong thời gian dài của ngôi sao này là rất bất thường, và gợi ý rằng không có supernova xảy ra, dẫn đến lõi sao sụp đổ trực tiếp thành lỗ đen,” De nói.
Theo các tác giả, việc một ngôi sao có sụp đổ trực tiếp thành lỗ đen mà không phát nổ thành supernova hay không phụ thuộc vào neutrino. Khi một sao khối lượng lớn đi đến cuối đời, bức xạ hướng ra ngoài không còn đủ để chống đỡ khối lượng của chính nó. Lõi sao sụp đổ và phát ra neutrino, và neutrino thúc đẩy một sóng xung kích truyền vào các lớp ngoài của sao, tức lớp vỏ sao.
Nếu sóng xung kích đủ mạnh, lớp vỏ bị thổi bật ra và ngôi sao phát nổ thành supernova. “Nếu sóng xung kích không thể tống lớp vỏ ra ngoài, lớp vỏ được dự đoán sẽ rơi ngược trở lại lên lõi đang sụp đổ, tạo ra một lỗ đen khối lượng sao (BH) và khiến ngôi sao biến mất,” nhóm nghiên cứu viết.
Ngôi sao ban đầu có khối lượng khoảng 13 lần khối lượng Mặt Trời. Khi chết, nó chỉ còn khoảng 5 lần khối lượng Mặt Trời, do đã mất phần lớn khối lượng trong các gió sao mạnh.
“Các sao có khối lượng như vậy từ lâu được cho là luôn phát nổ thành supernova,” De nói. “Việc nó không phát nổ gợi ý rằng các sao cùng khối lượng có thể phát nổ thành công hoặc không, có lẽ do lực hấp dẫn, áp suất khí và các sóng xung kích mạnh tương tác với nhau theo những cách hỗn loạn bên trong ngôi sao đang chết.”
Các nhà thiên văn biết thêm một ứng viên lỗ đen sụp đổ trực tiếp khác. Nó được quan sát vào năm 2010 trong NGC 6946, một thiên hà xoắn có cấu trúc tay xoắn rõ rệt, cách Trái Đất khoảng 25 triệu năm ánh sáng. Nhưng đối tượng đó xa hơn M31-2014-DS1 khoảng 10 lần. Ứng viên này tên N6946-BH1 và sao tiền thân cũng là một sao siêu khổng lồ. Nó sáng lên rồi mờ dần chậm, giống như đối tượng ở thiên hà Andromeda.
Hình ảnh bên trái do kính viễn vọng Hubble chụp cho thấy N6946-BH1 vào năm 2007, nhưng trong ảnh chụp cùng vị trí vào năm 2015, đối tượng này không còn ở đó nữa. Nguồn ảnh: NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)
Thật không may vì N6946-BH1 ở rất xa nên nó mờ hơn nhiều và dữ liệu quan sát không có chất lượng cao như đối với M31-2014-DS1. Tuy nhiên, với phát hiện mới này, N6946-BH1 lại trở nên đáng chú ý.
“Chúng ta biết lỗ đen phải sinh ra từ sao. Với hai sự kiện mới này, chúng ta đang được chứng kiến quá trình đó diễn ra và học được rất nhiều về cơ chế tạo thành lỗ đen,” Morgan MacLeod, giảng viên thiên văn tại Harvard và là đồng tác giả, nói.
Phải tốn rất nhiều công sức mới tìm ra M31-2014-DS1. Đây là nghiên cứu lớn nhất từng thực hiện về các nguồn hồng ngoại biến thiên. Nhóm quan sát các quần thể sao của thiên hà Milky Way và các thiên hà lân cận để tìm những đối tượng kiểu này, và chỉ thấy đúng một trường hợp. Trong khi supernova rất dễ nhận biết vì chúng có thể cực sáng trong nhiều tháng, các lỗ đen sụp đổ trực tiếp thì hoàn toàn ngược lại.
“Không giống như việc tìm supernova, vốn dễ dàng vì supernova có thể sáng hơn cả thiên hà chủ trong vài tuần, việc tìm từng ngôi sao biến mất mà không tạo ra vụ nổ là cực kỳ khó,” De nói.
Các nhà thiên văn suýt nữa đã bỏ lỡ trường hợp này vì nó bị chôn vùi trong khối dữ liệu khổng lồ. Câu hỏi đặt ra là còn bao nhiêu trường hợp như vậy ngoài kia và chúng phổ biến đến mức nào?
“Thật sốc khi biết một sao khối lượng lớn về cơ bản đã biến mất (và chết) mà không có vụ nổ và không ai nhận ra điều đó trong hơn 5 năm,” De nói. “Điều này tác động mạnh tới hiểu biết của chúng ta về số lượng các ngôi sao khối lượng lớn đã chết trong vũ trụ. Nó cho thấy những sự kiện như vậy có thể đang diễn ra âm thầm và rất dễ bị bỏ qua.”
Giống như nhiều vấn đề trong thiên văn học và vật lý thiên văn, chỉ khi có mẫu lớn hơn và quan sát tốt hơn, chúng ta mới có thể hiểu rõ hơn về các lỗ đen sụp đổ trực tiếp. Đài quan sát Vera Rubin có tiềm năng phát hiện thêm nhiều trường hợp như vậy trong chương trình Khảo sát Di sản về Không-thời gian kéo dài 10 năm của mình.
Nguyễn Đình Nam
Theo Universetoday
