Lần đầu tiên phát hiện về một lỗ đen 'vô hình' có thể giúp chúng ta hiểu cách sao hình thành

Những nhà thiên văn đã nổi tiếng chụp được hình ảnh trực tiếp đầu tiên của một lỗ đen vào năm 2019, nhờ vào vật liệu sáng lên dưới tác động của nó. Nhưng nhiều lỗ đen thực sự gần như không thể phát hiện. Bây giờ, một nhóm khác sử dụng Kính viễn cảnh không gian Hubble dường như đã cuối cùng tìm thấy điều chưa ai thấy từ trước: một lỗ đen hoàn toàn vô hình. Nghiên cứu, đã được đăng trực tuyến và gửi đến tạp chí Astrophysical Journal để đăng.

Lỗ đen là những thứ còn lại sau khi ngôi sao lớn chết và hạt nhân của chúng sụp đổ. Chúng cực kỳ chặt chẽ, với trọng lực mạnh đến nỗi không có gì có thể di chuyển đủ nhanh để thoát khỏi chúng, kể cả ánh sáng. Những nhà thiên văn đang hăng hái nghiên cứu về lỗ đen vì chúng có thể cho chúng ta biết nhiều về cách sao chết. Bằng cách đo lường khối lượng của lỗ đen, chúng ta có thể biết được những gì đã xảy ra trong những khoảnh khắc cuối cùng của ngôi sao, khi hạt nhân của chúng sụp đổ và lớp ngoại vi của chúng được xua đi.

Có vẻ như lỗ đen theo định nghĩa là vô hình - cuối cùng chúng đã đoạt được tên từ khả năng của chúng làm mờ ánh sáng. Nhưng chúng ta vẫn có thể phát hiện chúng thông qua cách chúng tương tác với các đối tượng khác nhờ vào trọng lực mạnh mẽ của chúng. Trăm lỗ đen nhỏ đã được phát hiện thông qua cách chúng tương tác với các ngôi sao khác.

Có hai phương pháp khác nhau để phát hiện những lỗ đen như vậy. Trong "cặp sao nhị X-ray" - trong đó một ngôi sao và một lỗ đen quay quanh một trung tâm chung trong khi sản xuất tia X - trường trọng lực của lỗ đen có thể kéo vật liệu từ người bạn của nó. Vật liệu xoay quanh lỗ đen, nóng lên do ma sát trong quá trình làm vậy. Vật liệu nóng sáng chói trong tia ánh sáng X, khiến lỗ đen trở nên rõ ràng, trước khi bị hút vào lỗ đen và biến mất. Bạn cũng có thể phát hiện các cặp lỗ đen khi chúng hợp nhất với nhau, xoay quanh và phát ra một đợt các sóng trọng lực, là những sóng ripples trong không gian thời gian.

Tuy nhiên, có nhiều lỗ đen du mục đang trôi qua không gian mà không tương tác với bất kỳ thứ gì, làm cho chúng khó phát hiện. Điều này là vấn đề, vì nếu chúng ta không thể phát hiện lỗ đen cô lập, thì chúng ta không thể tìm hiểu về cách chúng được hình thành và về cái chết của những ngôi sao chúng đến từ.

Những Đường chân mới, bí ẩn

Để phát hiện một lỗ đen vô hình như vậy, đội ngũ các nhà khoa học đã phải kết hợp hai loại quan sát khác nhau trong suốt nhiều năm. Thành tựu ấn tượng này hứa hẹn một cách mới để tìm thấy nhóm lỗ đen cô lập trước đây khó nhìn thấy.

Lý thuyết Tổng quát của Einstein về Hối đoái dự đoán rằng các đối tượng khối lớn sẽ làm cong ánh sáng khi nó đi qua chúng. Điều đó có nghĩa là bất kỳ ánh sáng nào đi rất gần một lỗ đen vô hình - nhưng không đủ gần để kết thúc bên trong nó - sẽ được làm cong một cách tương tự như ánh sáng đi qua một ống kính. Điều này được gọi là lens hấp dẫn, và có thể được nhận biết khi một đối tượng ở phía trước trùng với một đối tượng ở phía sau, làm cong ánh sáng của nó.

Nhóm nghiên cứu mới này đã kết hợp hai loại quan sát lens hấp dẫn trong tìm kiếm của họ về lỗ đen. Nó bắt đầu với họ phát hiện ánh sáng từ một ngôi sao xa suddenly magnify, tạm thời làm cho nó trở nên sáng hơn trước khi trở lại bình thường. Tuy nhiên, họ không thể nhìn thấy bất kỳ đối tượng nền nào đang gây ra sự phóng đại thông qua quá trình lens hấp dẫn. Điều đó gợi ý rằng đó có thể là một lỗ đen đơn, điều chưa bao giờ được thấy trước đây. Vấn đề là nó cũng có thể chỉ là một ngôi sao mờ.

Việc xác định xem đó có phải là một lỗ đen hay một ngôi sao mờ đòi hỏi nhiều công việc, và đó là nơi quan sát thứ hai về lens hấp dẫn đến. Nhóm nghiên cứu lặp đi lặp lại việc chụp ảnh với Hubble trong sáu năm, đo lường cách xa mà ngôi sao xuất hiện khi ánh sáng của nó bị lệch.

Cuối cùng, điều này cho phép họ tính toán khối lượng và khoảng cách của đối tượng gây ra hiệu ứng lensing. Họ phát hiện nó có khoảng bảy lần khối lượng của Mặt Trời chúng ta, nằm cách khoảng 5.000 năm ánh sáng, nghe có vẻ xa xôi nhưng thực sự là tương đối gần. Một ngôi sao có kích thước và ở gần như vậy nên có thể nhìn thấy từ xa. Vì chúng ta không thể nhìn thấy nó, họ kết luận nó phải là một lỗ đen cô lập.

Việc thực hiện nhiều quan sát như vậy với một đài quan sát như Hubble không dễ dàng. Kính thiên văn này rất phổ biến và có nhiều sự cạnh tranh để sử dụng nó. Và với khó khăn của việc xác nhận một đối tượng như thế này, bạn có thể nghĩ rằng triển vọng để tìm thêm chúng không lớn. May mắn thay, chúng ta đang ở đầu của một cuộc cách mạng trong thiên văn học. Điều này là nhờ vào một thế hệ mới của các cơ sở vật chất, bao gồm cả cuộc khảo sát Gaia đang diễn ra, và các kính thiên văn sắp tới như Đài quan sát Vera Rubin và Kính thiên văn Nancy Grace Roman, tất cả đều sẽ đo đạc lặp lại các phần lớn của bầu trời với chi tiết chưa từng có.

Điều này sẽ là một bước ngoặt cho tất cả các lĩnh vực của thiên văn học. Việc có các đo lường đều đặn, chính xác cao trên nhiều phần của bầu trời sẽ cho phép chúng ta nghiên cứu hàng loạt những thay đổi diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn. Chúng ta sẽ nghiên cứu những thứ đa dạng như tiểu hành tinh, các ngôi sao nổ được biết đến như siêu tân tinh, và các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác một cách mới.

Khi nói đến việc tìm kiếm những lỗ đen vô hình, điều này có nghĩa là thay vì chỉ mừng vì đã tìm thấy một, chúng ta có thể sớm tìm thấy nhiều đến nỗi nó trở nên thông thường. Điều đó sẽ giúp chúng ta bổ sung những khoảng trống trong sự hiểu biết của chúng ta về cái chết của các ngôi sao và sự tạo ra của lỗ đen.

Bài viết này của Adam McMaster, Nghiên cứu sinh sau đại học (Tiến sĩ) ngành Thiên văn, Đại học Mở và Andrew Norton, Giáo sư Đào tạo Thiên văn học, Đại học Mở, được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.