Top 10 Bí ẩn kỳ lạ nhất về các hố đen trong vũ trụ

Hố đen thường được biết đến như những vật thể hút lấy mọi thứ xung quanh, tuy nhiên các nhà khoa học đã phát hiện chúng cũng có khả năng phóng vật chất ra ngoài. Một lỗ đen có tên H1743-322, với khối lượng gấp từ 5 đến 10 lần Mặt Trời và cách Trái Đất khoảng 28.000 năm ánh sáng, đã kéo vật chất từ ngôi sao đồng hành và phóng ra ngoài một phần như "viên đạn" khí khổng lồ với tốc độ gần 1/4 tốc độ ánh sáng.

Những nhà thiên văn đã ghi lại cảnh hố đen bắn ra các "viên đạn" khí siêu nhanh vào không gian vào tháng 6 năm 2009, sử dụng vệ tinh Rossi X-ray Timing Explorer của NASA và kính viễn vọng vô tuyến Very Long Baseline Array trên mặt đất. Hệ thống này gồm một ngôi sao bình thường và một hố đen chưa xác định khối lượng, trong đó vật chất xoáy vào hố đen bị nén và nóng đến hàng chục triệu độ, phát ra tia X.

Dù lực hút của các lỗ đen mạnh đến mức ánh sáng cũng không thể thoát khỏi, nhưng chúng lại là trung tâm của các chuẩn tinh – những vật thể sáng nhất, mạnh mẽ và năng lượng lớn nhất trong vũ trụ. Khi các lỗ đen siêu lớn tại trung tâm thiên hà hút khí và bụi xung quanh, chúng có thể phóng ra một lượng năng lượng khổng lồ.

Các nhà khoa học đã tìm thấy lõi năng lượng của một thiên hà xa xôi, phá vỡ mọi kỷ lục về vật thể sáng nhất trong vũ trụ sơ khai, phát sáng rực rỡ tương đương 600 nghìn tỷ lần mặt trời. Chuẩn tinh sáng nhất từng được xác định là J043947.08 + 163415.7, cách Trái đất khoảng 12,8 tỷ năm ánh sáng. Chuẩn tinh này nằm tại trung tâm một thiên hà đang hình thành trong giai đoạn đầu của lịch sử vũ trụ gọi là kỷ nguyên tái ion hóa, khi các ngôi sao và thiên hà đầu tiên bắt đầu làm sáng vùng khí hydro trung tính lan rộng trong vũ trụ.

Một nghiên cứu mới đây tiết lộ các nhà thiên văn đã phát hiện ra lỗ đen siêu lớn nhất từng biết đến – một khối lượng khổng lồ gấp 800 triệu lần Mặt Trời, tồn tại khi vũ trụ chỉ mới bằng 5% tuổi hiện nay. Hố đen này, được phát hiện chỉ 690 triệu năm sau Vụ nổ lớn, có thể giúp giải đáp nhiều bí ẩn về cách các hố đen đạt kích thước khổng lồ nhanh chóng và cách vũ trụ hình thành, theo các nhà nghiên cứu, đã xóa bỏ lớp sương mù mờ ảo bao phủ vũ trụ thuở sơ khai.

Hố đen lâu đời nhất mang tên chính thức ULAS J1342 + 0928. Các lỗ đen siêu lớn với khối lượng hàng triệu đến hàng tỷ lần Mặt Trời được cho là ẩn mình ở trung tâm hầu hết các thiên hà. (Các nhà khoa học ước tính Vụ nổ lớn xảy ra khoảng 13,7 tỷ năm trước.) Tuổi đời cổ xưa của lỗ đen này đặt ra nhiều thách thức cho giới thiên văn. Bí ẩn rực rỡ này có khối lượng khoảng 1 tỷ lần Mặt Trời, khiến việc lý giải sự hình thành nhanh chóng của các lỗ đen khổng lồ sau Big Bang trở nên khó khăn hơn bao giờ hết.

Một nghiên cứu mới đây cho thấy các nhà thiên văn có thể đã lần đầu tiên phát hiện và đo được khối lượng của một lỗ đen có khối lượng sao đơn lẻ. Trước đây, khi các ngôi sao khổng lồ trên 20 lần khối lượng Mặt Trời bước vào giai đoạn cuối đời, chúng thường nổ tung trong các vụ siêu tân tinh và lõi của chúng sẽ sụp đổ để trở thành lỗ đen. Tuy nhiên, tất cả các lỗ đen khối lượng sao được phát hiện đến nay đều nằm trong hệ nhị phân với các đối tượng như sao neutron.

Ngược lại, phần lớn các lỗ đen có khối lượng sao trong Dải Ngân hà được cho là tồn tại một mình. Khi các thiên hà va chạm, những lỗ đen có thể bị đá bật ra khỏi vùng va chạm và lang thang tự do trong không gian. Hố đen lang thang đầu tiên được biết đến mang tên SDSSJ0927 + 2943, có khối lượng khoảng 600 triệu lần Mặt Trời và lao qua không gian với tốc độ khổng lồ lên đến 5,9 triệu dặm/giờ (9,5 triệu km/giờ). Có thể có hàng trăm hố đen lang thang như vậy trong Dải Ngân hà.

Từ lâu, các nhà khoa học phân chia lỗ đen thành ba loại cơ bản về kích thước: nhỏ, trung bình và lớn. Các lỗ đen nhỏ, với khối lượng bằng vài lần mặt trời, rất phổ biến, trong khi các lỗ đen siêu lớn với khối lượng hàng triệu đến hàng tỷ lần mặt trời thường ẩn mình ở trung tâm hầu hết các thiên hà, chẳng hạn như một lỗ đen khổng lồ hơn bốn triệu lần khối lượng mặt trời tại trung tâm Dải Ngân hà.

Thế nhưng, các lỗ đen có kích thước trung bình từng làm khó các nhà thiên văn học nhiều năm liền, cho đến năm 2009 khi họ phát hiện ra HLX-1 (Nguồn tia X siêu sáng 1), một trong những hố đen trung bình đầu tiên, cách Trái đất khoảng 290 triệu năm ánh sáng, với khối lượng khoảng 20.000 lần mặt trời. Những hố đen cỡ trung gian này được coi là bước đệm để hình thành các lỗ đen siêu lớn, nên việc nghiên cứu chúng giúp hiểu rõ hơn về sự tiến hóa của các quái vật vũ trụ này cùng thiên hà xung quanh.

Tại trung tâm hệ Cygnus X-1, vật thể khổng lồ này có khối lượng lớn hơn 50% so với ước tính trước đây, biến nó thành lỗ đen khối lượng sao nặng nhất từng được quan sát trực tiếp. Theo các quan sát mới nhất, nhóm nghiên cứu quốc tế xác định khối lượng của lỗ đen này gấp 21 lần mặt trời và nó quay với tốc độ nhanh nhất từng được biết đến.

Các lỗ đen có khả năng quay với vận tốc cực cao quanh trục của mình. Lỗ đen GRS 1915 + 105 trong chòm sao Đại bàng, cách Trái đất khoảng 35.000 năm ánh sáng, quay hơn 950 vòng mỗi giây. Nếu đặt một vật thể tại rìa chân trời sự kiện, nơi không gì có thể thoát ra, nó sẽ quay với tốc độ hơn 333 triệu dặm/giờ (536 triệu km/giờ), tương đương gần một nửa tốc độ ánh sáng.

Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã sử dụng mô hình lỗ đen bắt âm thanh thay vì ánh sáng để quan sát bằng chứng tự phát của các phát xạ từ lỗ đen. Những hạt này rất hiếm và mờ nhạt, khiến việc phát hiện chúng ở lỗ đen thiên văn gần như không thể. Kỹ sư Jeff Steinhauer tại Viện Công nghệ Technion – Israel đã tạo ra phiên bản mô phỏng lỗ đen trên mặt bàn hút âm thanh, mở ra cơ hội lần đầu nhìn thấy bằng chứng các hạt thoát ra, gọi là bức xạ Hawking.

Dù Tabletop ở cách xa Trái đất, việc thu thập dữ liệu để giải mã các bí ẩn vẫn còn đầy thách thức. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng tái tạo đặc tính kỳ bí của lỗ đen ngay trên bàn thí nghiệm. Ví dụ, họ mô phỏng chân trời sự kiện nhân tạo - nơi lực hấp dẫn cực mạnh ngăn mọi thứ, kể cả ánh sáng, thoát ra. Đồng thời, họ cũng tái hiện được bức xạ Hawking được cho là phát ra từ lỗ đen thực sự.

lỗ đen siêu lớn ở trung tâm, với khối lượng lên tới hàng triệu đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt trời. Vào năm 2011, các nhà khoa học phát hiện ra hai trong số những lỗ đen lớn nhất ở hai thiên hà gần chúng ta. Một trong số đó là thiên hà NGC 3842 – thiên hà sáng nhất trong cụm Leo, cách chúng ta khoảng 320 triệu năm ánh sáng, với hố đen trung tâm có khối lượng lên đến 9,7 tỷ lần khối lượng Mặt trời.

Thiên hà còn lại, NGC 4889, thiên hà sáng nhất trong cụm Coma, cách xa hơn khoảng 335 triệu năm ánh sáng, cũng sở hữu một lỗ đen có khối lượng tương đương hoặc thậm chí lớn hơn. Phạm vi ảnh hưởng của các lỗ đen này, hay còn gọi là "chân trời sự kiện", rộng khoảng năm lần khoảng cách từ Mặt trời đến Sao Diêm Vương. Để so sánh, kích thước của những hố đen này lớn gấp 2.500 lần so với hố đen trung tâm Dải Ngân hà, với chân trời sự kiện chỉ bằng 1/5 quỹ đạo của Sao Thủy.

Mặc dù các nhà khoa học không thể quan sát trực tiếp lỗ đen, họ đã phát hiện ra dấu hiệu qua sự thay đổi của ánh sáng tia X từ một hệ sao đôi trong Dải Ngân hà, cho thấy sự tồn tại của một lỗ đen. Tàu vũ trụ Rossi X-ray Timing Explorer của NASA đã đo được nhịp đập tia X này trong một hệ sao nằm trong chòm sao Bọ Cạp, cách chúng ta từ 16.000 đến 65.000 năm ánh sáng (một năm ánh sáng tương đương khoảng 6 nghìn tỷ dặm hay 10 nghìn tỷ km).

Hố đen nhỏ nhất từng được phát hiện có thể chỉ lớn hơn Mặt trời khoảng ba lần. Hệ thống này mang tên chính thức là IGR J17091-3624, gồm một ngôi sao bình thường và một lỗ đen đồng hành, gần như đạt đến giới hạn nhỏ nhất mà lý thuyết cho phép một lỗ đen có thể tồn tại ổn định. Dù kích thước nhỏ bé, lỗ đen này rất mạnh mẽ, tạo ra luồng gió với tốc độ lên tới 20 triệu dặm/giờ (32 triệu km/giờ), là tốc độ cao nhất từng được ghi nhận ở một lỗ đen có khối lượng sao gần gấp 10 lần Mặt trời.

Các lỗ đen có thể nuốt chửng bất kỳ vật thể nào vô tình đi quá gần, kể cả những lỗ đen khác. Mới đây, các nhà khoa học đã phát hiện một lỗ đen khổng lồ ở trung tâm một thiên hà đang bị một lỗ đen lớn hơn từ một thiên hà khác nuốt chửng. Đây là lần đầu tiên phát hiện hiện tượng như vậy. Các nhà thiên văn đã quan sát được những giai đoạn cuối cùng trong quá trình hợp nhất các thiên hà có khối lượng tương đương, được gọi là sự hợp nhất lớn.

Tuy nhiên, các vụ hợp nhất nhỏ hơn giữa thiên hà và những đồng hành nhỏ hơn từng khiến các nhà nghiên cứu khó nắm bắt. Nhờ Đài quan sát tia X Chandra của NASA, các nhà khoa học đã phát hiện hai lỗ đen ở trung tâm thiên hà NGC 3393, với một lỗ đen có khối lượng khoảng 30 triệu lần Mặt trời và lỗ kia có khối lượng ít nhất 1 triệu lần Mặt trời, cách nhau chỉ khoảng 490 năm ánh sáng.