Lỗ đen là một trong những lực lượng hấp dẫn và đáng kinh ngạc nhất của tự nhiên. Chúng cũng là một trong những điều bí ẩn nhất vì cách các quy tắc của vật lý thông thường bị phá vỡ trong sự hiện diện của chúng. Mặc dù đã có nhiều thập kỷ nghiên cứu và quan sát nhưng vẫn còn nhiều điều chúng ta không biết về họ. Trên thực tế, cho đến gần đây, các nhà thiên văn học chưa bao giờ nhìn thấy hình ảnh của lỗ đen và không thể đo được khối lượng của chúng.
Tuy nhiên, một nhóm các nhà vật lý từ Viện Vật lý và Công nghệ Moscow (MIPT) mới đây tuyên bố rằng họ đã nghĩ ra cách gián tiếp đo khối lượng của lỗ đen trong khi cũng xác nhận sự tồn tại của nó. Trong một nghiên cứu gần đây, họ đã cho thấy cách họ đã thử nghiệm phương pháp này trên lỗ đen siêu lớn được chụp gần đây ở trung tâm của thiên hà hoạt động Messier 87.
Nghiên cứu xuất hiện trong số tháng 8 của Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia. Ngoài các nhà nghiên cứu từ MIPT, nhóm nghiên cứu còn bao gồm các thành viên của Viện liên hợp VLBI ERIC (JIVE) có trụ sở tại Hà Lan, Viện thiên văn học & vật lý thiên văn học Academia Sinica ở Đài Loan và Đài quan sát VLBI NOAJ.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn học đã biết rằng hầu hết các thiên hà khổng lồ đều có một lỗ đen siêu lớn (SMBH) ở trung tâm của chúng. Sự hiện diện của SMBH này dẫn đến một lượng hoạt động đáng kể trong lõi, nơi khí và bụi rơi vào một đĩa bồi tụ và tăng tốc đến tốc độ khiến chúng phát ra ánh sáng, cũng như radio, lò vi sóng, tia X và gamma- tia bức xạ.
Đối với một số thiên hà, lượng bức xạ do vùng lõi tạo ra quá sáng đến nỗi nó thực sự áp đảo ánh sáng đến từ tất cả các ngôi sao trong đĩa của nó cộng lại. Chúng được gọi là các thiên hà Hạt nhân Thiên hà Hoạt động (AGN) vì chúng có lõi hoạt động và các thiên hà khác tương đối yên tĩnh. Một định danh nhận biết khác rằng một thiên hà đang hoạt động là các chùm vật chất quá nóng kéo dài.
Những chiếc máy bay phản lực tương đối của người Viking này, có thể kéo dài hàng triệu năm ánh sáng ra bên ngoài, được đặt tên như vậy bởi vì vật liệu trong chúng được tăng tốc đến một phần tốc độ ánh sáng. Mặc dù các máy bay phản lực này chưa được hiểu đầy đủ, nhưng sự đồng thuận hiện tại là chúng được tạo ra bởi một hiệu ứng động cơ nào đó, do một SMBH quay nhanh.
Một ví dụ điển hình về một thiên hà hoạt động với một máy bay phản lực tương đối là Messier 87 (hay còn gọi là Virgo A), một thiên hà siêu lớn nằm ở hướng Chòm sao Xử Nữ. Thiên hà này là thiên hà hoạt động gần nhất với Trái đất, và do đó, một trong những thiên hà được nghiên cứu tốt nhất. Được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1781 bởi Charles Messier (người đã nhầm nó với một tinh vân), nó đã được nghiên cứu một cách thường xuyên kể từ đó. Đến năm 1918, máy bay phản lực quang học của nó đã trở thành chiếc đầu tiên thuộc loại này được quan sát.
Nhờ sự gần gũi của nó, các nhà thiên văn học đã có thể nghiên cứu máy bay phản lực Messier 87, một cách tỉ mỉ - lập bản đồ cấu trúc và vận tốc plasma của nó và đo nhiệt độ và mật độ hạt gần dòng máy bay phản lực. Các ranh giới phản lực đã được nghiên cứu chi tiết đến mức các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nó đồng nhất dọc theo chiều dài của nó và thay đổi hình dạng xa hơn khi nó mở rộng (đi từ parabol sang hình nón).
Tất cả các quan sát này đã cho phép các nhà thiên văn học kiểm tra các giả thuyết liên quan đến cấu trúc của các thiên hà hoạt động và mối quan hệ giữa những thay đổi trong hình dạng phản lực và ảnh hưởng của lỗ đen trong hạt nhân thiên hà. Trong trường hợp này, nhóm nghiên cứu quốc tế đã tận dụng mối quan hệ này và để xác định khối lượng SMBH của M87.
Nhóm nghiên cứu cũng dựa vào các mô hình lý thuyết dự đoán sự phá vỡ phản lực, cho phép họ tạo ra một mô hình trong đó khối SMBH Lần sẽ tái tạo chính xác hình dạng quan sát của máy bay phản lực M87. Bằng cách đo chiều rộng của máy bay phản lực và khoảng cách giữa lõi và sự phá vỡ hình dạng của nó, họ cũng thấy rằng ranh giới máy bay phản lực M87 được tạo thành từ hai phân đoạn với hai đường cong đặc biệt.
Cuối cùng, sự kết hợp của các mô hình lý thuyết, quan sát và tính toán trên máy tính cho phép nhóm nghiên cứu có được phép đo gián tiếp khối lượng lỗ đen và tốc độ quay. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp một mô hình mới để ước tính lỗ đen và phương tiện đo lường mới cho máy bay phản lực mà còn xác nhận các giả thuyết về cấu trúc của máy bay phản lực
Về cơ bản, kết quả của đội ngũ mô tả máy bay phản lực là một dòng chất lỏng từ hóa, trong đó hình dạng được xác định bởi trường điện từ trong nó. Đến lượt nó, điều này phụ thuộc vào những thứ như tốc độ và điện tích của các hạt phản lực, dòng điện trong máy bay phản lực và tốc độ SMBH tích tụ vật chất từ đĩa xung quanh.
Sự tương tác giữa tất cả các yếu tố này là yếu tố dẫn đến sự phá vỡ quan sát được trong hình dạng máy bay phản lực, sau đó có thể được sử dụng để ngoại suy khối SMBH và tốc độ quay của nó. Elena Nokhrina, phó trưởng phòng thí nghiệm MIPT tham gia vào nghiên cứu và là tác giả chính trên bài báo của nhóm, mô tả phương pháp mà họ đã phát triển theo cách sau:
Các phương pháp độc lập mới để ước tính khối lượng và spin của lỗ đen là kết quả chính của công việc của chúng tôi. Mặc dù độ chính xác của nó tương đương với các phương thức hiện có, nhưng nó có một lợi thế ở chỗ nó đưa chúng ta đến gần hơn với mục tiêu cuối cùng. Cụ thể, tinh chỉnh các thông số của lõi ‘motor, để hiểu sâu hơn bản chất của nó.
Nhờ có sẵn các thiết bị tinh vi để nghiên cứu SMBH (như Kính thiên văn chân trời sự kiện) và kính viễn vọng không gian thế hệ tiếp theo sẽ sớm hoạt động, nó đã mất nhiều thời gian để mẫu mới này được thử nghiệm kỹ lưỡng. Một ứng cử viên sáng giá sẽ là Sagittarius A *, SMBH ở trung tâm thiên hà của chúng ta, ước tính có khoảng 3,5 triệu 4,7 triệu khối lượng Mặt trời.
Ngoài việc đặt các ràng buộc chính xác hơn cho khối lượng này, các quan sát trong tương lai cũng có thể xác định mức độ hoạt động (hoặc không hoạt động) của hạt nhân trong thiên hà của chúng ta. Những điều này và những bí ẩn lỗ đen khác đang chờ đợi!
