Tác giả: Robert Lea
[ChanhKien.org]
“Kết quả này cho thấy kính thiên văn Event Horizon Telescope (EHT) không chỉ hữu ích trong việc tạo ra những hình ảnh ngoạn mục, mà còn có thể được sử dụng để tìm hiểu các quy luật vật lý chi phối luồng phun tia vật chất của lỗ đen”.
Hình ảnh luồng tia vật chất xoắn của hệ OJ287 phun ra từ một lỗ đen ở xa được kính thiên văn Event Horizon Telescope ghi nhận. (Ảnh: EHT Collaboration / E. Traianou)
Các nhà thiên văn học đã sử dụng kính thiên văn Event Horizon Telescope (EHT) để quan sát một vũ điệu vũ trụ dữ dội giữa một cặp lỗ đen siêu khối lượng được cho là nằm ở trung tâm của một thiên hà xa xôi. Bằng chứng cho cuộc gặp gỡ giữa những quái vật vũ trụ này nằm ở các đặc tính xoắn vặn của những luồng vật chất phun ra xung quanh các lỗ đen.
Cặp lỗ đen siêu khối lượng, hay còn gọi là hệ nhị phân, ẩn mình ở trung tâm của chuẩn tinh OJ287, nằm tại lõi của một thiên hà cách Trái Đất khoảng 1,6 tỷ năm ánh sáng. Sử dụng độ phân giải đủ để có thể phát hiện ra một quả bóng tennis trên bề mặt của Mặt Trăng, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy hai sóng xung kích truyền xuống luồng phun tia vật chất của OJ287. Điều thú vị là, các sóng xung kích này được quan sát thấy di chuyển với những tốc độ khác nhau. Và khi di chuyển, đi qua các từ trường mạnh, những sóng xung kích này dường như tạo ra một hiện tượng chưa từng được quan sát trước đây.
Đây chỉ là bước đột phá lớn mới nhất về lỗ đen do EHT thực hiện, sau khi vào tháng 04/2017 EHT đã chụp được hình ảnh đầu tiên trong lịch sử của một lỗ đen, lỗ đen siêu khối lượng M87*, và đã được công bố rộng rãi vào năm 2019. Mạng lưới kính thiên văn này tiếp tục cho ra mắt hình ảnh của Sagittarius A*, lỗ đen siêu khối lượng của chính Dải Ngân Hà, và công chúng đã được chiêm ngưỡng hình ảnh này vào năm 2022.
Kể từ đó, EHT tiếp tục tạo ra những dấu ấn đáng chú ý trong lĩnh vực nghiên cứu lỗ đen.
“Kết quả này cho thấy EHT không chỉ hữu ích trong việc tạo ra những hình ảnh ngoạn mục, mà còn có thể được sử dụng để tìm hiểu các quy luật vật lý chi phối luồng phun tia vật chất của lỗ đen”, bà Mariafelicia De Laurentis, thành viên nhóm EHT, cho biết trong một thông cáo. “Việc phân biệt bằng quan sát giữa những gì là do hình học và những gì là kết quả của các quá trình vật lý thực sự là một bước then chốt trong việc so sánh các mô hình lý thuyết với các quan sát”.
Những ảnh chụp nhanh của tia vật chất từ lỗ đen
Nhóm nghiên cứu đã ghi lại hai ảnh chụp nhanh của hệ OJ287 vào ngày 05/04/2017 và sau đó là ngày 10/04 cùng năm. Các hình ảnh này cho thấy những thay đổi đáng kể cả về cấu trúc lẫn độ phân cực của OJ287 xảy ra chỉ trong vòng năm ngày theo thời gian Trái Đất. Đó là khoảng thời gian ngắn nhất mà những biến đổi như vậy từng được quan sát thấy trong một luồng phun tia của lỗ đen.
Những thay đổi này được cho là kết quả của sự tương tác giữa các sóng xung kích với các vận tốc không ổn định, được gọi là bất ổn định Kelvin–Helmholtz. Chúng tạo ra một cấu trúc xoắn mạnh bên trong luồng phun tia, với ba thành phần phân cực riêng biệt: hai thành phần chậm hơn và quay theo hai hướng ngược nhau, cùng một thành phần nhanh hơn và quay ngược chiều kim đồng hồ. Phát hiện này đánh dấu lần đầu tiên sự tồn tại của từ trường xoắn ốc trong luồng phun tia của lỗ đen được xác nhận trực tiếp.
“Chúng tôi đang phân giải không gian các thành phần sóng xung kích riêng lẻ và quan sát sự tương tác của chúng với các bất ổn định Kelvin–Helmholtz”, anh Ilje Cho, thành viên nhóm nghiên cứu, thuộc viện thiên văn và khoa học vũ trụ Hàn Quốc cho biết. “Đây là lần đầu tiên chúng tôi trực tiếp quan sát được sự tương tác giữa các sóng xung kích và các bất ổn định này trong một luồng phun tia của lỗ đen”.
Sơ đồ thể hiện cấu trúc xoắn ốc của các bất ổn định trong luồng phun tia của OJ287. (Nguồn ảnh: EHT Collaboration / E. Traianou)
“Những biến đổi được quan sát thấy trong luồng phun tia thường được giải thích dựa trên hiệu ứng tiến động (precession effect) của chính luồng tia này. Tuy nhiên, các mô hình tiến động sẽ dự đoán các thành phần của luồng tia vật chất chuyển động theo quỹ đạo đạn đạo dọc theo luồng tia vật chất”, anh Rocco Lico, thành viên nhóm EHT, thuộc viện vật lý thiên văn quốc gia Ý (INAF) cho biết. “Tuy nhiên, các quan sát của chúng tôi cho thấy các thành phần này có chuyển động phi đạn đạo, qua đó đặt ra nghi vấn về giả thuyết tiến động như là lời giải thích duy nhất cho hình thái quan sát được của nguồn phát”. Các chuyển động nhanh được nhóm nghiên cứu đo đạc cho thấy động năng của các hạt vượt quá năng lượng từ trường trong các vùng bên trong của luồng phun tia vật chất. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các bất ổn định Kelvin-Helmholtz, phát sinh do sự khác biệt về vận tốc trên bề mặt giữa luồng phun tia, chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, và môi trường vật chất xung quanh chậm hơn nhiều. Những bất ổn định này có thể gây ra các biến dạng hình xoắn ốc biểu hiện dưới dạng cấu trúc “xoắn”, giống như cấu trúc mà EHT đã phát hiện trong luồng phun tia của OJ287.
Cấu trúc xoắn của luồng phun tia được quan sát thấy trong OJ287, mức độ phân cực cao của ba thành phần, cùng với sự tiến hóa của các góc phân cực của chúng, cho thấy sự tương tác phức tạp giữa các bất ổn định Kelvin–Helmholtz và các sóng xung kích trong một luồng phun tia được bao trùm bởi từ trường xoắn ốc.
“Những chuyển động quay theo hai hướng ngược nhau này chính là bằng chứng không thể chối cãi”, ông José L. Gómez, trưởng nhóm nghiên cứu của viện vật lý thiên văn Andalusia (CSIC) cho biết trong thông cáo. “Khi các thành phần sóng xung kích tương tác với các bất ổn định Kelvin–Helmholtz, chúng làm nổi bật những pha khác nhau của cấu trúc xoắn ốc trong từ trường, từ đó tạo ra các dao động phân cực mà chúng ta quan sát được”.
Ảnh GIF minh họa sự thay đổi theo thời gian của trạng thái phân cực trong luồng phun tia của OJ287. (Nguồn ảnh: EHT/E. Traianou Collaboration).
Mô hình của nhóm nghiên cứu đề xuất rằng sự bất ổn định Kelvin–Helmholtz tạo ra các cấu trúc dạng sợi, tương tác với các sóng xung kích lan truyền trong luồng phun tia vật chất.
“Những tương tác này làm nén từ trường và khuếch đại bức xạ tại các vùng cụ thể trong luồng phun tia, qua đó lý giải các đặc điểm quan sát được cả ở cường độ tổng thể lẫn ánh sáng phân cực, cũng như sự biến đổi nhanh chóng của các góc phân cực và các chuyển động phi đạn đạo rõ ràng được quan sát thấy, dù việc luồng phun tia xét trên tổng thể vẫn có dạng thẳng”, anh Lico nói. “Lần đầu tiên, dữ liệu độ phân giải cao từ EHT cho phép chúng ta trực tiếp hình dung các cấu trúc này, cung cấp bằng chứng cụ thể về sự tương tác giữa các bất ổn định trong luồng phun tia, các sóng xung kích và từ trường xoắn ốc”.
OJ287 là đối tượng lý tưởng để thực hiện những quan sát này, bởi cặp lỗ đen siêu khối lượng đang nhảy múa trong hệ này vốn nổi tiếng với các đợt bùng phát mang tính chu kỳ, khiến nó trở thành một phòng thí nghiệm độc đáo để nghiên cứu vật lý lỗ đen.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 08/01 trên tạp chí Astronomy & Astrophysics.
Dịch từ:
Bản tiếng Anh: Astronomers watch 2 supermassive black holes caught in a twisted dance with never-before-seen jet behavior
Bản tiếng Trung: https://www.zhengjian.org/node/300582