Phát hiện hố đen gần Trái Đất nhất, nằm trong hệ sao mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt thường

Nếu bạn đứng ở Bán Cầu Nam vào một ngày đông lạnh giá, hãy nhìn lên trời để tìm hố đen gần bạn nhất mà khoa học đã phát hiện ra.

Đứng tại Nam Bán Cầu vào mùa Đông, bạn có thể thấy một một chấm xanh tại chòm sao Telescopium. Thực tế, chấm nhỏ này là hai ngôi sao bay thành cặp, kèm với một hố đen gầnTrái Đất nhất từng được phát hiện. Hố đen cách chúng ta 1.011 năm ánh sáng, nằm trong hệ sao HR 6819, có khối lượng gấp 4 lần Mặt Trời và nằm cách hố đen gần nhất 2.500 năm ánh sáng.

So với quãng đường con người nhỏ bé có thể đi, thì 1.000 năm ánh sáng xa vời vợi. Thế nhưng, trong một mô hình với khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời chỉ bằng bề dày của một sợi tóc, thì hệ sao HR 6819 chỉ cách ta khoảng 6,5 km thôi. Khi so sánh lấy sự rộng lớn của thiên hà ta đang sống (có bề rộng khoảng 100.000 năm ánh sáng), thì HR 6819 khá gần; bên cạnh đó, nó còn là minh chứng cho thấy hố đen rải rác khắp nơi trong Dải Ngân hà.

“Nếu ta phát hiện ra một [hố đen] gần tới vậy, và ta tự giả định vị trí của ta không có gì đặc biệt, thì ắt hố đen phải tồn tại khắp nơi”, Thomas Rivinius, nhà thiên văn học công tác tại Đài thiên Văn Nam Âu (ESO) và cũng là tác giả chính của nghiên cứu mới, phát biểu.

Hố đen song hành cùng sao

Trong suốt thời gian dài, các nhà khoa học đã ước tính rằng Dải Ngân hà chứa hàng trăm triệu hố đen, nhưng việc xác định chúng không phải là dễ dàng. Mặc dù trong thiên hà của chúng ta, đã có một số hố đen được quan sát khi chúng 'ăn' các đám mây khí gas xung quanh, nhưng phần lớn hố đen trong Dải Ngân hà vẫn là vô hình, chỉ có thể nhìn thấy thông qua tác động của lực hấp dẫn lên các thiên thể xung quanh.

Nhóm nghiên cứu HR 6819 không đi tìm hố đen mà họ đang tập trung vào việc nghiên cứu một cặp sao kỳ lạ quay quanh nhau. Trong đó, ngôi sao ngoài là một phần của một bộ sao Be, lớn hơn Mặt Trời và phun ra khí gas, với vận tốc quay nhanh đến mức vật chất gần như bay văng khỏi bề mặt. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng HR 6819 không chỉ là một cặp sao đôi đơn giản mà còn có một thiên thể không rõ quay quanh nó, và ngôi sao này quay quanh thiên thể kỳ lạ ấy mỗi 40,3 ngày.

Hồi năm 2004, quan sát HR 6819 kéo dài 4 tháng đã cho thấy hệ sao này không đơn giản là một cặp sao đôi. Có một ngôi sao quay quanh một thiên thể kỳ lạ cứ mỗi 40,3 ngày. Năm 2009, nhà nghiên cứu Stan Štefl tại ESO đã dẫn đầu một nghiên cứu mới để theo dõi HR 6819 kỹ hơn sau khi phát hiện dấu vết của một hố đen Vũ trụ. Tuy nhiên, công việc nghiên cứu đã phải tạm dừng sau khi giáo sư Štefl qua đời trong một tai nạn giao thông năm 2014.

Nghệ sĩ hợp tác với ESO để vẽ minh họa đường bay của ba vật thể, một cặp sao và một hố đen, tại hệ sao HR 6819. Trong hình, màu sáng biểu tượng cho sao và màu đỏ biểu tượng cho hố đen.

Thực tế cho thấy Dải Ngân hà có hàng trăm triệu hố đen, nhưng việc xác định chúng là một thách thức lớn. Các nhà khoa học thường dựa vào tác động của lực hấp dẫn để nhận biết hố đen trong các thiên thể xung quanh.

Năm 2009, nhà nghiên cứu Stan Štefl công tác tại ESO dẫn đầu một nghiên cứu mới nhằm theo dõi HR 6819 kỹ hơn, sau khi nhận thấy dấu vết của một hố đen Vũ trụ. Nhưng đáng buồn, giáo sư Štefl đã qua đời trong một tai nạn giao thông năm 2014, công việc nghiên cứu phải hoãn lại.

Vào tháng 11/2019, nhóm nghiên cứu Rivinius, chuyên gia về sao Be và đồng nghiệp của giáo sư Štefl, bắt đầu nghiên cứu lại HR 6819 sau khi một nhóm nhà thiên văn công bố phát hiện LB-1, một hệ sao với một hố đen có khối lượng lớn hơn Mặt Trời đến 70 lần.

Nghiên cứu này gây nhiều tranh cãi, vì lý thuyết cho rằng hố đen lớn như vậy không thể tồn tại. Khi một ngôi sao sừng sững chết và tạo ra một hố đen với khối lượng lớn như vậy, nó sẽ phát ra năng lượng mạnh mẽ và không thể nén lại thành hố đen.

Tuy nhiên, nhóm của giáo sư Rivinius nhận thấy dữ liệu từ LB-1 có nhiều điểm tương đồng với HR 6819. Họ cố gắng xác định vật thể bí ẩn trong HR 6819 và dựa vào quỹ đạo của ngôi sao nội bên và độ sáng của nó, họ kết luận rằng khối lượng của vật thể bí ẩn phải lớn hơn 4,2 lần so với Mặt Trời, tương đương với các hố đen khác mà chúng ta đã biết trong Dải Ngân hà.

Nếu vật thể này lớn hơn 4 lần so với sao trung tâm của Hệ Mặt Trời, nó không thể là một sao; theo Dietrich Baade, một nhà khoa học danh dự của ESO và đồng tác giả của nghiên cứu mới về HR 6819, một sao lớn như vậy sẽ dễ thấy không cần kính viễn vọng. Bên cạnh đó, nó cũng quá lớn để là một ngôi sao neutron.

Loại trừ mọi khả năng, các nhà khoa học chỉ có một ý tưởng duy nhất để giải thích tính chất của vật thể kỳ lạ này: nó là một hố đen.

Hình ảnh đầu tiên về một hố đen mà con người đã chụp được.

Tuy vậy, mọi nghiên cứu về các hệ sao tương tự HR 6819 đều còn một số điểm chưa được hiểu rõ hoặc thậm chí là không chính xác. Khoảng cách giữa hai ngôi sao trong cặp sao tại HR 6819 quá gần để kính viễn vọng quang học có thể quan sát, nên chúng ta chỉ có thể nhận biết chúng thông qua các phổ ánh sáng của hai sao.

Trong một số trường hợp, ngôi sao lớn tuổi hơn có thể trông giống như một ngôi sao trẻ và lớn hơn. Nếu ngôi sao bên trong của hệ HR 6819 thực sự là một “kẻ mạo danh” như vậy, thì ước lượng về khối lượng của hố đen bay cùng cặp sao sẽ là sai.

Trong nghiên cứu tiếp theo, do đồng tác giả mới Petr Hadrava dẫn dắt, sẽ cố gắng phân tách ánh sáng từ hệ HR 6819 để nhận diện hai ngôi sao rõ ràng hơn. Kính viễn vọng Gaia, công cụ đang lập bản đồ Dải Ngân hà với độ chính xác cao, sẽ giúp ta “khám phá” bí ẩn trong hệ sao HR 6819. Do hệ sao này gần, nhà thiên văn có thể xác định vị trí của hai ngôi sao một cách chính xác.

“Thường thì, khi một ngôi sao bay gần một hố đen, ta không thể quan sát được sự di chuyển của ngôi sao”, đồng tác giả nghiên cứu Marianne Heida nhấn mạnh. “Nhưng hệ sao này ở gần, ta có thể quan sát được và tính toán khối lượng của hố đen dễ dàng hơn, nếu tất cả dữ liệu khớp nhau”.

Các nhà nghiên cứu không chỉ quan sát hệ sao HR 6819 mà còn nhớ đến giáo sư Stan Štefl, người đã phát hiện ra hố đen trước khi ông qua đời đột ngột. “Stan rất cẩn thận. Nếu còn ở đây, anh ấy sẽ nhìn tôi và hỏi: Chắc chắn chứ?”, giáo sư Rivinius nói với nụ cười.

Tham khảo National Geographic