Lỗ đen là một trong những lực lượng tuyệt vời và bí ẩn nhất của tự nhiên. Đồng thời, chúng là nền tảng cho sự hiểu biết của chúng ta về vật lý thiên văn. Các lỗ đen không chỉ là kết quả của những ngôi sao đặc biệt khổng lồ đi siêu tân tinh vào cuối đời, chúng còn là chìa khóa cho sự hiểu biết của chúng ta về Thuyết tương đối rộng và được cho là có vai trò trong tiến hóa vũ trụ.
Bởi vì điều này, các nhà thiên văn học đã cố gắng tạo ra một cuộc điều tra dân số về các lỗ đen trong thiên hà Milky Way trong nhiều năm. Tuy nhiên, nghiên cứu mới chỉ ra rằng các nhà thiên văn học có thể đã bỏ qua toàn bộ một lớp lỗ đen. Điều này xuất phát từ một khám phá gần đây, nơi một nhóm các nhà thiên văn học đã quan sát một lỗ đen chỉ hơn ba khối Mặt trời, khiến nó trở thành lỗ đen nhỏ nhất được phát hiện cho đến nay.
Nghiên cứu này, một hệ thống nhị phân sao khổng lồ lỗ đen khổng lồ không liên tục, đã xuất hiện gần đây trên tạp chí Khoa học. Nhóm chịu trách nhiệm được dẫn dắt bởi các nhà thiên văn học từ Đại học bang Ohio và bao gồm các thành viên từ Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian, Đài quan sát của Viện khoa học Carnegie, Trung tâm vũ trụ học tối, và nhiều đài quan sát và trường đại học.
Phát hiện này đặc biệt đáng chú ý vì nó đã xác định được một vật thể mà các nhà vật lý thiên văn trước đây không biết đã tồn tại. Do đó, các nhà khoa học hiện đang buộc phải xem xét lại những gì họ nghĩ rằng họ biết về dân số của các lỗ đen trong thiên hà của chúng ta. Như Todd Thompson, giáo sư thiên văn học tại Đại học bang Ohio và là tác giả chính của nghiên cứu, giải thích:
Sau đó, chúng tôi đã đưa ra gợi ý này rằng có một dân số khác ở ngoài đó mà chúng tôi chưa thực sự thăm dò trong việc tìm kiếm các lỗ đen. Mọi người đang cố gắng tìm hiểu vụ nổ siêu tân tinh, cách các ngôi sao đen siêu lớn nổ tung, cách các yếu tố được hình thành trong các ngôi sao siêu lớn. Vì vậy, nếu chúng ta có thể tiết lộ một quần thể lỗ đen mới, nó sẽ cho chúng ta biết nhiều hơn về những ngôi sao nào phát nổ, don don, tạo thành lỗ đen, hình thành sao neutron. Nó mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới.
Do ảnh hưởng của chúng đối với không gian và thời gian, các nhà thiên văn học từ lâu đã tìm kiếm các lỗ đen và sao neutron. Vì chúng cũng là kết quả khi các ngôi sao chết, chúng cũng có thể cung cấp thông tin về vòng đời của các ngôi sao và cách các yếu tố được hình thành. Để làm được điều đó, trước tiên, các nhà thiên văn học cần xác định vị trí của các lỗ đen trong thiên hà của chúng ta, điều này đòi hỏi họ phải biết phải tìm gì.
Một cách để tìm thấy chúng là tìm kiếm các hệ nhị phân, trong đó hai ngôi sao bị khóa trong quỹ đạo với nhau do lực hấp dẫn lẫn nhau của chúng. Khi một trong những ngôi sao này trải qua sự sụp đổ lực hấp dẫn gần cuối đời, nó sẽ sụp đổ để tạo thành một ngôi sao neutron hoặc một lỗ đen. Nếu ngôi sao đồng hành đã đạt đến Giai đoạn Cành Đỏ (RBP) trong quá trình tiến hóa của nó, nó sẽ mở rộng đáng kể.
Sự mở rộng này sẽ dẫn đến việc người khổng lồ đỏ trở thành đối tượng của lỗ đen hoặc sao neutron đồng hành. Điều này sẽ dẫn đến việc vật liệu được kéo ra từ bề mặt trước đây và được tiêu thụ chậm bởi vật liệu sau. Điều này được chứng minh bằng nhiệt và tia X được phát ra dưới dạng vật chất từ ngôi sao được tích tụ vào lỗ đen đồng hành của nó.
Cho đến bây giờ, tất cả các lỗ đen trong thiên hà của chúng ta được các nhà thiên văn học xác định là từ năm đến mười lăm khối lượng mặt trời. Ngược lại, các sao neutron thường không lớn hơn khoảng 2,1 khối lượng mặt trời, vì bất cứ thứ gì lớn hơn 2,5 khối lượng mặt trời sẽ sụp đổ để tạo thành một lỗ đen. Khi LIGO và Virgo cùng phát hiện sóng hấp dẫn gây ra bởi sự hợp nhất của lỗ đen, chúng lần lượt là 31 và 25 khối lượng mặt trời.
Điều này chứng minh rằng các lỗ đen có thể xảy ra bên ngoài những gì các nhà thiên văn học coi là phạm vi bình thường. Như Thompson đã nói:
Ngay lập tức, mọi người đều thích ‘wow, bởi vì đó là một điều ngoạn mục. Không chỉ bởi vì nó chứng minh rằng LIGO hoạt động, mà bởi vì số đông là rất lớn. Các lỗ đen có kích thước lớn là một vấn đề lớn - chúng tôi đã từng thấy chúng trước đây.
Phát hiện này đã truyền cảm hứng cho Thompson và các đồng nghiệp của ông để xem xét khả năng có thể có những vật thể chưa được khám phá nằm giữa các ngôi sao neutron lớn nhất và các lỗ đen nhỏ nhất. Để điều tra điều này, họ bắt đầu kết hợp dữ liệu từ Thí nghiệm tiến hóa thiên hà quan sát (APOGEE) của Apache - một cuộc khảo sát thiên văn thu thập quang phổ từ khoảng 100.000 ngôi sao trên khắp thiên hà.
Thompson và các đồng nghiệp đã kiểm tra quang phổ này để tìm các dấu hiệu thay đổi cho biết liệu một ngôi sao có thể quay quanh một vật thể khác hay không. Cụ thể, nếu một ngôi sao có dấu hiệu dịch chuyển Doppler - trong đó quang phổ của nó sẽ xen kẽ giữa dịch chuyển về phía đầu xanh hơn và sau đó là các bước sóng đỏ hơn - đây sẽ là dấu hiệu cho thấy nó có thể quay quanh một người bạn đồng hành vô hình.
Phương pháp này là một trong những phương tiện hiệu quả và phổ biến nhất để xác định xem một ngôi sao có hệ thống các hành tinh quay quanh hay không. Khi các hành tinh quay quanh một ngôi sao, chúng tác dụng lực hấp dẫn lên nó khiến nó chuyển động qua lại. Loại dịch chuyển tương tự này đã được sử dụng bởi Thompson và các đồng nghiệp của ông để xác định xem có bất kỳ ngôi sao APOGEE nào có thể quay quanh một lỗ đen hay không.
Nó bắt đầu với việc Thompson thu hẹp dữ liệu APOGEE xuống còn 200 ứng viên được chứng minh là thú vị nhất. Sau đó, ông đã đưa dữ liệu cho Tharindu Jayasinghe (một cộng tác viên nghiên cứu sau đại học tại bang Ohio), người sau đó đã sử dụng dữ liệu từ Khảo sát tự động toàn bộ bầu trời cho Supernovae (ASAS-SN) - được điều hành bởi OSU và tìm thấy hơn 1.000 siêu tân tinh - để biên dịch hàng ngàn hình ảnh của từng ứng cử viên.
Điều này cho thấy một ngôi sao đỏ khổng lồ dường như đang quay quanh một cái gì đó nhỏ hơn nhiều so với bất kỳ lỗ đen nào được biết đến, nhưng lớn hơn nhiều so với bất kỳ ngôi sao neutron nào được biết đến. Sau khi kết hợp các kết quả với dữ liệu bổ sung từ Máy quang phổ phản xạ Tillinghast (TRES) và vệ tinh Gaia, họ nhận ra rằng họ đã tìm thấy một lỗ đen có khối lượng gấp khoảng 3,3 lần Mặt trời.
Kết quả này không chỉ xác nhận sự tồn tại của một loại lỗ đen khối lượng thấp mới mà còn cung cấp một phương pháp mới để định vị chúng. Như Thompson đã giải thích:
Những gì chúng tôi đã làm ở đây là tìm ra một cách mới để tìm kiếm các lỗ đen, nhưng chúng tôi cũng có khả năng xác định được một trong những lỗ đen khối lượng thấp mới mà các nhà thiên văn học đã biết trước đây. Quần chúng vạn vật cho chúng ta biết về sự hình thành và tiến hóa của chúng, và chúng cho chúng ta biết về bản chất của chúng.
