Các nhà thiên văn có thể đã chứng kiến sự ra đời của một đám lỗ đen

Các nhà thiên văn ngày càng mở màn cho những bí mật về các đám lỗ đen. Trong vài năm qua, chúng ta cuối cùng đã chụp được những bức ảnh thực tế về những sinh vật đáng sợ này và đo lường được sóng hấp dẫn - những làn sóng trên không gian thời gian - mà chúng tạo ra khi va chạm. Nhưng vẫn còn rất nhiều điều chúng ta không biết về đám lỗ đen. Một trong những bí ẩn lớn nhất là chúng hình thành như thế nào từ đầu.

Các đồng nghiệp và tôi tin rằng chúng tôi đã quan sát được quá trình này, cung cấp một số dấu hiệu tốt nhất về chính xác những gì xảy ra khi một đám lỗ đen hình thành. Kết quả của chúng tôi được công bố trong hai bài báo trên Nature và Astrophysical Journal.

Các nhà thiên văn tin rằng, dựa trên cả lý thuyết và quan sát, hầu hết các đám lỗ đen hình thành khi trung tâm của một ngôi sao khổng lồ sụp đổ vào cuối cuộc sống của nó. Hạt nhân của ngôi sao thường cung cấp áp suất hoặc hỗ trợ bằng nhiệt từ những phản ứng hạt nhân mạnh mẽ. Nhưng khi nhiên liệu của một ngôi sao như vậy cạn kiệt và phản ứng hạt nhân dừng lại, các lớp nội bộ của ngôi sao sụp đổ vào bên trong dưới tác động của trọng lực, nén lại thành mật độ phi thường.

Hầu hết thời gian, sự sụp đổ thảm khốc này bị dừng lại khi hạt nhân của ngôi sao nén lại thành một quả cầu chất, giàu hạt gọi là neutron. Điều này dẫn đến một vụ nổ phục hồi mạnh mẽ phá hủy ngôi sao (một siêu tân tinh) và để lại một vật thể kỳ lạ được biết đến là một ngôi sao neutron. Nhưng các mô hình về ngôi sao chết cho thấy nếu ngôi sao gốc đủ nặng (40-50 lần khối lượng của Mặt Trời), sự sụp đổ sẽ tiếp tục không ngừng cho đến khi ngôi sao bị nén lại thành một đối tượng siêu trọng lực - một đám lỗ đen.

Những lý thuyết hứng khởi

Trong khi việc các ngôi sao sụp đổ để tạo ra ngôi sao neutron hiện nay được quan sát thường xuyên trên toàn vũ trụ (các cuộc khảo sát siêu tân tinh tìm thấy hàng chục ngôi sao mới mỗi đêm), các nhà thiên văn vẫn chưa chắc chắn hoàn toàn về những gì xảy ra trong quá trình sụp đổ của một đám lỗ đen. Một số mô hình bi quan gợi ý rằng toàn bộ ngôi sao sẽ bị nuốt chửng mà không để lại nhiều dấu vết. Người khác đề xuất rằng sự sụp đổ thành một đám lỗ đen sẽ tạo ra một loại vụ nổ khác.

Ví dụ, nếu ngôi sao quay vào thời điểm sụp đổ, một số vật liệu đang rơi vào có thể được tập trung thành tia jet thoát ra khỏi ngôi sao với vận tốc cao. Mặc dù các tia jet này có thể không chứa nhiều khối lượng, chúng sẽ gây ra ảnh hưởng lớn: nếu chúng va vào cái gì đó, hiệu ứng có thể khá ấn tượng về năng lượng phát ra.

Đến nay, ứng cử viên xuất sắc nhất cho một vụ nổ từ sự ra đời của một đám lỗ đen là hiện tượng kỳ lạ được biết đến là tia gamma kéo dài. Được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 1960 bởi các vệ tinh quân sự, sự kiện này được giả định là kết quả của tia jet được gia tốc với tốc độ khó tin bởi các đám lỗ đen mới hình thành trong các ngôi sao sụp đổ. Tuy nhiên, một vấn đề lâu dài với kịch bản này là tia gamma kéo dài cũng phát ra rất nhiều mảnh phóng xạ tiếp tục phát sáng trong vài tháng. Điều này gợi ý rằng hầu hết ngôi sao đã phát nổ ra khỏi không gian (như trong một tân tinh bình thường), thay vì sụp đổ vào một đám lỗ đen.

Mặc dù điều này không có nghĩa là một đám lỗ đen không thể được hình thành trong một vụ nổ như vậy, nhưng một số người kết luận rằng các mô hình khác cung cấp một giải thích tự nhiên hơn cho tia gamma kéo dài so với việc hình thành một đám lỗ đen. Ví dụ, một ngôi sao neutron siêu từ trường có thể hình thành trong một vụ nổ như vậy và tạo ra tia jet mạnh mẽ của riêng nó.

Bí ẩn đã được giải quyết?

Tuy nhiên, đồng nghiệp và tôi gần đây đã khám phá ra một sự kiện mới và (theo quan điểm của chúng tôi) có thể là ứng viên tốt hơn nhiều để tạo ra một đám lỗ đen. Trong hai sự kiện khác nhau trong ba năm qua - một lần vào năm 2019 và một lần vào năm 2021 - chúng tôi chứng kiến một loại vụ nổ cực kỳ nhanh chóng và thoáng qua, giống như trong các tia gamma kéo dài, xuất phát từ một lượng nhỏ vật liệu di chuyển rất nhanh va chạm vào khí trong môi trường ngay xung quanh nó.

Bằng cách sử dụng phổ học - một kỹ thuật chia nhỏ ánh sáng thành các bước sóng khác nhau - chúng tôi có thể suy luận về thành phần của ngôi sao nổ tung trong mỗi sự kiện này. Chúng tôi phát hiện rằng phổ rất giống với loại ngôi sao gọi là “Wolf-Rayet” - một loại ngôi sao rất khối lượng và tiến triển, được đặt theo tên của hai nhà thiên văn, Charles Wolf và Georges Rayet, người đầu tiên phát hiện chúng. Thú vị là chúng tôi thậm chí có thể loại bỏ khả năng vụ nổ tân tinh “bình thường”. Ngay sau khi va chạm giữa vật liệu nhanh và môi trường của nó kết thúc, nguồn gần như biến mất - thay vì phát sáng trong thời gian dài.

Điều này chính xác như bạn mong đợi nếu, trong quá trình sụp đổ của hạt nhân, ngôi sao chỉ phát ra một lượng nhỏ vật liệu với phần còn lại của vật thể sụp đổ vào một đám lỗ đen khổng lồ.

Mặc dù đây là giả thuyết mà chúng tôi ưa chuộng, nhưng nó không phải là khả năng duy nhất. Khả năng giản dị nhất là đó là một vụ nổ tân tinh bình thường, nhưng một lớp vỏ lớn bụi hình thành trong va chạm, che giấu mảnh phóng xạ khỏi tầm nhìn. Cũng có khả năng rằng vụ nổ đó là một loại mới và không quen thuộc, xuất phát từ một ngôi sao mà chúng ta không quen thuộc.

Để trả lời những câu hỏi này, chúng ta sẽ cần tìm kiếm thêm những đối tượng như vậy. Đến nay, những loại vụ nổ như vậy đã khó để nghiên cứu vì chúng thoáng qua và khó tìm thấy. Chúng tôi đã phải sử dụng cùng một lúc nhiều đài quan sát để xác định các vụ nổ này: Zwicky Transient Facility để phát hiện chúng, Liverpool Telescope và Nordic Optical Telescope để xác nhận bản chất của chúng, và các đài quan sát có độ phân giải cao lớn (đài quan sát không gian Hubble, Đài quan sát Gemini và Đài quan sát siêu lớn Very Large Telescope) để phân tích thành phần của chúng.

Mặc dù ban đầu chúng tôi không biết chính xác chúng tôi đang nhìn thấy gì khi chúng tôi lần đầu tiên phát hiện ra những sự kiện này, nhưng bây giờ chúng tôi có một giả thuyết rõ ràng: sự ra đời của một đám lỗ đen.

Bài viết của Daniel Perley, Giáo sư Vật lý Thiên văn, Đại học Liverpool John Moores

Bài viết này được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.