Kính thiên văn Chandra của NASA phát hiện hố đen có tốc độ tăng trưởng cực nhanh

Một nhóm các nhà thiên văn học thuộc Đài quan sát tia X Chandra của NASA vừa công bố một khám phá đột phá: một hố đen đang phát triển với tốc độ nhanh nhất từng được ghi nhận trong lịch sử.

Nguồn ảnh: NASA

Phát hiện này không chỉ cung cấp thêm bằng chứng về sự tồn tại của những hố đen khổng lồ, mà còn có thể giải thích cách chúng đạt được khối lượng khổng lồ một cách nhanh chóng ngay sau Vụ Nổ Lớn.

Hố đen này, với khối lượng gấp khoảng một tỷ lần khối lượng Mặt Trời, nằm cách Trái đất 12,8 tỷ năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là các nhà khoa học đang quan sát nó chỉ 920 triệu năm sau khi vũ trụ bắt đầu. Nó đang tạo ra nhiều tia X hơn bất kỳ hố đen nào từng được thấy trong một tỷ năm đầu tiên của vũ trụ.

Nguồn năng lượng khổng lồ của hố đen này tạo ra một quasar, một vật thể cực kỳ sáng, có khả năng lấn át toàn bộ thiên hà. Nguồn sức mạnh của quasar này đến từ một lượng lớn vật chất đang chảy xoáy và đi vào hố đen.

Hai năm trước, cùng một nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra hố đen này, nhưng phải đến năm 2023, các quan sát từ Chandra mới tiết lộ điều khiến quasar RACS J0320-35 trở nên đặc biệt. Dữ liệu tia X cho thấy hố đen này dường như đang phát triển với tốc độ vượt quá giới hạn bình thường của các vật thể này.

“Thật là một cú sốc khi thấy hố đen này phát triển nhảy vọt,” Luca Ighina, người dẫn đầu nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard & Smithsonian ở Cambridge, Massachusetts, cho biết.

Nguồn ảnh: Techlade (Ảnh minh họa được tạo bởi ChatGPT)

Khi vật chất bị hút về phía một hố đen, nó sẽ nóng lên và tạo ra bức xạ mạnh trên một quang phổ rộng, bao gồm tia X và ánh sáng quang học. Bức xạ này tạo ra áp lực lên vật chất đang rơi vào. Khi tốc độ vật chất rơi vào đạt đến một giá trị tới hạn, áp lực bức xạ cân bằng lực hấp dẫn của hố đen, và vật chất không thể rơi vào nhanh hơn được nữa. Giới hạn tối đa này được gọi là giới hạn Eddington.

Các nhà khoa học nghĩ rằng các hố đen phát triển chậm hơn giới hạn Eddington cần phải có khối lượng khi sinh ra khoảng 10.000 Mặt Trời trở lên để chúng có thể đạt một tỷ khối lượng Mặt Trời trong vòng một tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn – như đã được quan sát ở RACS J0320-35. Một hố đen có khối lượng khi sinh ra cao như vậy có thể là kết quả trực tiếp của một quá trình lạ lùng: sự sụp đổ của một đám mây khí dày đặc khổng lồ chứa một lượng bất thường các nguyên tố nặng hơn helium, những điều kiện có thể cực kỳ hiếm.

Nếu RACS J0320-35 thực sự đang phát triển với tốc độ cao – ước tính gấp 2,4 lần giới hạn Eddington – và đã làm như vậy trong một thời gian dài, thì hố đen của nó có thể đã bắt đầu một cách thông thường hơn, với khối lượng nhỏ hơn một trăm Mặt Trời, do sự sụp đổ của một ngôi sao khổng lồ.

“Bằng cách biết khối lượng của hố đen và tính toán nó đang phát triển nhanh như thế nào, chúng tôi có thể làm việc ngược lại để ước tính khối lượng của nó khi sinh ra,” đồng tác giả Alberto Moretti thuộc INAF-Osservatorio Astronomico di Brera ở Ý cho biết. “Với phép tính này, chúng tôi giờ đây có thể kiểm tra các ý tưởng khác nhau về cách hố đen được sinh ra.”

Để tìm ra hố đen này đang phát triển nhanh như thế nào (từ 300 đến 3.000 Mặt Trời mỗi năm), các nhà nghiên cứu đã so sánh các mô hình lý thuyết với dấu hiệu tia X, hoặc quang phổ, từ Chandra. Họ tìm thấy quang phổ của Chandra phù hợp chặt chẽ với những gì họ mong đợi từ các mô hình về một hố đen phát triển nhanh hơn giới hạn Eddington. Dữ liệu từ ánh sáng quang học và hồng ngoại cũng ủng hộ việc giải thích rằng hố đen này đang tăng khối lượng nhanh hơn giới hạn Eddington cho phép.

“Vũ trụ đã tạo ra thế hệ hố đen đầu tiên như thế nào?” đồng tác giả Thomas of Connor, cũng thuộc Trung tâm Vật lý Thiên văn, nói. “Đây vẫn là một trong những câu hỏi lớn nhất trong vật lý thiên văn và một vật thể này đang giúp chúng tôi truy tìm câu trả lời.”

Một bí ẩn khoa học khác được giải quyết bởi kết quả này liên quan đến nguyên nhân của các tia hạt di chuyển ra xa một số hố đen với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, như đã thấy trong RACS J0320-35. Các tia như thế này rất hiếm đối với các quasar, điều này có thể có nghĩa là tốc độ phát triển nhanh của hố đen bằng cách nào đó đang góp phần vào việc tạo ra các tia này.

Quasar này trước đây đã được phát hiện như một phần của cuộc khảo sát kính viễn vọng vô tuyến sử dụng Kính viễn vọng Vô tuyến Mảng Vuông Úc, kết hợp với dữ liệu quang học từ Máy ảnh Năng lượng Tối, một công cụ gắn trên Kính viễn vọng 4 mét Victor M. Blanco tại Đài quan sát Cerro Tololo Inter-American ở Chile. Kính viễn vọng Gemini-South của Tổ chức Nghiên cứu Thiên văn Quang học-Hồng ngoại Quốc gia Hoa Kỳ trên Cerro Pachon, Chile đã được sử dụng để có được khoảng cách chính xác của RACS J0320-35.

Một bài báo mô tả những kết quả này đã được chấp nhận để xuất bản trên Tạp chí Vật lý Thiên văn và có thể xem tại đây.