Các lỗ đen siêu nặng ở trung tâm của các thiên hà là một trong những lĩnh vực nghiên cứu sôi động nhất của thiên văn học. Để tích lũy được khối lượng khổng lồ của mình, chúng phải hợp nhất với nhau. Một nhóm nghiên cứu do Silke Britzen từ Viện Max Planck về Thiên văn Vô tuyến (MPIfR) tại Bonn dẫn đầu đã tìm thấy bằng chứng trực tiếp về hai lỗ đen siêu nặng trong thiên hà Markarian 501, chúng có quỹ đạo quanh nhau ở khoảng cách rất gần. Đây có thể là lần đầu tiên một cặp như vậy được phát hiện khi đang tiến tới hợp nhất. Điều này mang lại cơ hội độc đáo để hiểu rõ hơn một quá trình đóng vai trò trung tâm trong sự tiến hóa của các thiên hà.
Các kết quả cho thấy gần như mọi thiên hà lớn đều có một lỗ đen siêu nặng ở trung tâm, với khối lượng lớn hơn hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ lần so với Mặt Trời. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ chính xác làm thế nào chúng có thể đạt tới khối lượng khổng lồ như vậy. Việc chỉ thu nhận (bồi tụ) khí từ môi trường xung quanh sẽ mất quá nhiều thời gian, vì vậy nhiều khả năng chúng phải hợp nhất với các lỗ đen khối lượng lớn khác. Các va chạm giữa các thiên hà đã được quan sát khắp vũ trụ của chúng ta. Do đó, rất có khả năng các lỗ đen siêu nặng ở trung tâm của những thiên hà va chạm này cũng sẽ hợp nhất, ban đầu có quỹ đạo quanh nhau ngày càng gần hơn và cuối cùng kết hợp thành một.
Tia vật chất đặc trưng
Tuy nhiên, các mô hình lý thuyết hiện nay vẫn chưa thể mô tả chính xác giai đoạn cuối này. Tình hình càng trở nên phức tạp hơn khi chưa có cặp lỗ đen khối lượng lớn nào ở khoảng cách gần được phát hiện một cách đáng tin cậy, mặc dù các va chạm thiên hà là hiện tượng phổ biến trên thang thời gian vũ trụ. Nghiên cứu gần đây về thiên hà Markarian 501 (Mrk 501) trong chòm sao Hercules đã thay đổi điều đó. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Lỗ đen ở trung tâm của Mrk 501 phóng ra một luồng hạt mạnh mẽ chuyển động gần bằng vận tốc ánh sáng vào không gian. Trong nghiên cứu này, nhóm đã phân tích các quan sát có độ phân giải cao của khu vực đó. Các dữ liệu này bao phủ nhiều tần số vô tuyến khác nhau và được thu thập trong hàng chục ngày trong khoảng thời gian xấp xỉ 23 năm. Bộ dữ liệu dài hạn này không chỉ cho thấy một tia vật chất, mà còn cả một tia thứ hai. Đây là hình ảnh trực tiếp đầu tiên của một hệ như vậy ở trung tâm của một thiên hà, và là bằng chứng rõ ràng cho sự tồn tại của một lỗ đen siêu nặng thứ hai. “Chúng tôi đã tìm kiếm điều này trong một thời gian dài, và rồi thật bất ngờ khi chúng tôi không chỉ nhìn thấy một tia thứ hai mà còn có thể theo dõi chuyển động của nó,” Britzen cho biết.
Vũ điệu gần của các lỗ đen
Tia thứ nhất hướng về phía Trái Đất, đó là lý do tại sao nó xuất hiện đặc biệt sáng đối với chúng ta và đã được biết đến từ lâu. Tia thứ hai có hướng khác và vì thế khó phát hiện hơn. Trong khoảng thời gian chỉ vài tuần, các nhà thiên văn học đã quan sát thấy những thay đổi đáng kể: Tia thứ hai bắt đầu phía sau lỗ đen lớn hơn và chuyển động ngược chiều kim đồng hồ quanh nó. Quá trình này lặp lại.
“Việc phân tích dữ liệu giống như đang ở trên một con tàu. Toàn bộ hệ tia vật chất đều đang chuyển động. Một hệ gồm hai lỗ đen có thể giải thích điều này: mặt phẳng quỹ đạo bị dao động,” Britzen giải thích. Trong một ngày quan sát vào tháng 6 năm 2022, bức xạ phát ra từ hệ này truyền tới chúng ta theo một đường cong đến mức nó xuất hiện có dạng vòng - còn gọi là vòng Einstein. Lời giải thích khả dĩ nhất là hệ này đã thẳng hàng hoàn hảo theo hướng của chúng ta. Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn của lỗ đen đã biết ở phía trước đã làm biến dạng ánh sáng từ tia thứ hai phía sau.
Bằng cách phân tích sự thay đổi theo thời gian và các mẫu lặp lại trong độ sáng của các tia, các nhà nghiên cứu suy ra rằng hai lỗ đen có quỹ đạo quanh nhau với chu kỳ khoảng 121 ngày. Khoảng cách giữa chúng vào khoảng 250 đến 540 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời - rất nhỏ đối với những đối tượng cực đoan có khối lượng từ 100 triệu đến một tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Tùy thuộc vào khối lượng thực tế của chúng, khoảng cách này có thể giảm nhanh đến mức chúng có thể hợp nhất chỉ trong khoảng 100 năm.
Đếm ngược đến hồi kết
Do khoảng cách rất lớn giữa Mrk 501 và Trái Đất, ngay cả những phương pháp quan sát hiện đại nhất cũng không thể chụp ảnh hai lỗ đen như những đối tượng tách biệt. Ngay cả hệ thống Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT), công cụ đã cung cấp cho chúng ta những hình ảnh đầu tiên về lỗ đen vào các năm 2019 và 2022, cũng không đủ mạnh. Vì vậy, quỹ đạo ngày càng thu hẹp của cặp lỗ đen trong Mrk 501 sẽ không thể được quan sát trực tiếp. Tuy nhiên, các nhà khoa học kỳ vọng sẽ có bằng chứng rõ ràng về khoảng cách ngày càng giảm giữa hai lỗ đen: hệ này sẽ phát ra sóng hấp dẫn ở tần số rất thấp, có thể được phát hiện bằng các mạng pulsar khớp thời gian (PTA).
Các cặp lỗ đen siêu nặng (SMBHBs) hiện được xem là lời giải thích hợp lý nhất cho nền sóng hấp dẫn quan sát được, mà bằng chứng đã được tìm thấy vào năm 2023 bởi mạng lưới pulsar khớp thời gian chau Âu (European Pulsar Timing Array) và các nhóm khác. Mrk 501 hiện là một ứng viên hàng đầu để gán các tín hiệu sóng hấp dẫn đo được bằng PTAs cho một cặp lỗ đen siêu nặng cụ thể. “Nếu sóng hấp dẫn được phát hiện, chúng ta thậm chí có thể thấy tần số của chúng tăng dần khi hai ‘gã khổng lồ’ di chuyển xoắn vào nhau tới khi va chạm, mang lại cơ hội hiếm có để quan sát quá trình hợp nhất của các lỗ đen siêu nặng,” đồng tác giả Héctor Olivares cho biết.
Bryan
Theo Max Planck Society
