LỖ ĐEN SIêU LỚN Là Gì?

Send

Năm 1971, các nhà thiên văn học người Anh Donald Lynden-Bell và Martin Rees đã đưa ra giả thuyết rằng một lỗ đen siêu lớn (SMBH) nằm ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta. Điều này dựa trên công việc của họ với các thiên hà vô tuyến, cho thấy lượng năng lượng khổng lồ tỏa ra từ các vật thể này là do khí và vật chất được tích tụ vào một lỗ đen ở trung tâm của chúng.

Đến năm 1974, bằng chứng đầu tiên cho SMBH này đã được tìm thấy khi các nhà thiên văn học phát hiện ra một nguồn vô tuyến khổng lồ đến từ trung tâm thiên hà của chúng ta. Khu vực này, mà họ đặt tên là Sagittarius A *, lớn gấp 10 triệu lần so với Mặt trời của chúng ta. Kể từ khi phát hiện ra, các nhà thiên văn học đã tìm thấy bằng chứng cho thấy có những lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của hầu hết các thiên hà xoắn ốc và elip trong Vũ trụ quan sát được.

Sự miêu tả:

Các lỗ đen siêu khối (SMBH) khác với các lỗ đen có khối lượng thấp hơn theo một số cách. Đối với người mới bắt đầu, vì SMBH có khối lượng cao hơn nhiều so với các lỗ đen nhỏ hơn, nên chúng cũng có mật độ trung bình thấp hơn. Điều này là do thực tế là với tất cả các vật thể hình cầu, thể tích tỷ lệ thuận với khối lập phương của bán kính, trong khi mật độ tối thiểu của lỗ đen tỷ lệ nghịch với bình phương khối lượng.

Ngoài ra, các lực thủy triều ở vùng lân cận chân trời sự kiện yếu hơn đáng kể đối với các hố đen khổng lồ. Cũng như mật độ, lực thủy triều trên một cơ thể ở chân trời sự kiện tỷ lệ nghịch với bình phương của khối lượng. Như vậy, một vật thể sẽ không gặp phải lực thủy triều đáng kể cho đến khi nó nằm rất sâu vào lỗ đen.

Sự hình thành:

Làm thế nào SMBH được hình thành vẫn là chủ đề của nhiều cuộc tranh luận học thuật. Các nhà vật lý thiên văn phần lớn tin rằng chúng là kết quả của sự hợp nhất lỗ đen và sự bồi tụ của vật chất. Nhưng nơi mà những hạt giống của người Hồi giáo (tức là tổ tiên) của những lỗ đen này đến từ đó là nơi xảy ra bất đồng. Hiện tại, giả thuyết rõ ràng nhất là chúng là tàn dư của một số ngôi sao lớn đã phát nổ, được hình thành do sự tích tụ của vật chất trong trung tâm thiên hà.

Một giả thuyết khác là trước khi những ngôi sao đầu tiên hình thành trong thiên hà của chúng ta, một đám mây khí lớn đã sụp đổ thành một ngôi sao qausi-star ngôi sao trở nên không ổn định với nhiễu loạn xuyên tâm. Sau đó, nó biến thành một lỗ đen khoảng 20 Khối lượng Mặt trời mà không cần vụ nổ siêu tân tinh. Theo thời gian, nó nhanh chóng tích lũy khối lượng để trở thành một trung gian, và sau đó là siêu lỗ đen.

Trong một mô hình khác, một cụm sao dày đặc đã trải qua sự sụp đổ lõi do hậu quả của sự phân tán vận tốc trong lõi của nó, xảy ra ở tốc độ tương đối do khả năng nhiệt âm. Cuối cùng, có giả thuyết cho rằng các lỗ đen nguyên thủy có thể đã được tạo ra trực tiếp bởi áp lực bên ngoài ngay sau Vụ nổ lớn. Những lý thuyết này và các lý thuyết khác vẫn còn trên lý thuyết cho đến thời điểm hiện tại.

Nhân Mã A *:

Nhiều dòng bằng chứng chỉ ra sự tồn tại của SMBH ở trung tâm thiên hà của chúng ta. Mặc dù không có quan sát trực tiếp nào được thực hiện về Nhân Mã A *, nhưng sự hiện diện của nó đã được suy ra từ ảnh hưởng của nó đối với các vật thể xung quanh. Đáng chú ý nhất trong số này là S2, một ngôi sao chảy theo quỹ đạo hình elip xung quanh nguồn phát thanh A * của Nhân Mã.

S2 có chu kỳ quỹ đạo là 15,2 năm và đạt khoảng cách tối thiểu 18 tỷ km (11,18 tỷ mi, 120 AU) từ trung tâm của vật thể trung tâm. Chỉ có một đối tượng siêu lớn có thể giải thích cho điều này, vì không có nguyên nhân nào khác có thể được nhận ra. Và từ các thông số quỹ đạo của S2, các nhà thiên văn học đã có thể đưa ra các ước tính về kích thước và khối lượng của vật thể.

Chẳng hạn, các chuyển động của S2 đã khiến các nhà thiên văn học tính toán rằng vật thể ở trung tâm quỹ đạo của nó phải có không dưới 4,1 triệu Khối lượng Mặt trời (8.2 × 10³³ tấn; 9.04 × 10³³ tấn Mỹ). Hơn nữa, bán kính của vật thể này sẽ phải nhỏ hơn 120 AU, nếu không S2 sẽ va chạm với nó.

Tuy nhiên, bằng chứng tốt nhất cho đến nay đã được cung cấp vào năm 2008 bởi Viện Vật lý ngoài Trái đất Max và Nhóm Trung tâm Thiên hà UCLAs. Sử dụng dữ liệu thu được trong khoảng thời gian 16 năm của Kính thiên văn rất lớn và Kính viễn vọng Keck của ESO, họ không chỉ ước tính chính xác khoảng cách đến trung tâm thiên hà của chúng ta (cách Trái đất 27.000 năm ánh sáng) mà còn theo dõi quỹ đạo của các ngôi sao ở đó với độ chính xác to lớn.

Như Reinhard Genzel, trưởng nhóm của Viện Vật lý ngoài Trái đất Max-Planck cho biết:

“Không còn nghi ngờ gì nữa, khía cạnh ngoạn mục nhất trong nghiên cứu dài hạn của chúng tôi là nó đã đưa ra những gì được coi là bằng chứng thực nghiệm tốt nhất cho thấy các hố đen siêu lớn thực sự tồn tại. Các quỹ đạo sao trong Trung tâm Thiên hà cho thấy nồng độ khối lượng trung tâm của bốn triệu khối lượng mặt trời phải là một lỗ đen, vượt quá mọi nghi ngờ hợp lý.

Một dấu hiệu khác về sự hiện diện của Nhân Mã A * xuất hiện vào ngày 5 tháng 1 năm 2015, khi NASA báo cáo một tia sáng tia X phá vỡ kỷ lục đến từ trung tâm thiên hà của chúng ta. Dựa trên các bài đọc từ Đài quan sát tia X Chandra, họ đã báo cáo lượng phát thải sáng hơn 400 lần so với thông thường. Chúng được cho là kết quả của một tiểu hành tinh rơi vào lỗ đen hoặc do sự vướng víu của các đường sức từ trong khí chảy vào nó.

Các thiên hà khác:

Các nhà thiên văn học cũng đã tìm thấy bằng chứng về SMBH ở trung tâm của các thiên hà khác trong Nhóm Địa phương và hơn thế nữa. Chúng bao gồm thiên hà Andromeda gần đó (M31) và thiên hà hình elip M32 và thiên hà xoắn ốc xa xôi NGC 4395. Điều này dựa trên thực tế là các ngôi sao và các đám mây khí gần trung tâm của các thiên hà này cho thấy sự gia tăng vận tốc có thể quan sát được.

Một dấu hiệu khác là Active Galactic Nuclei (AGN), trong đó các vụ nổ sóng vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, quang học, tia cực tím (UV), tia X và tia gamma được phát hiện định kỳ đến từ các vùng của vật chất lạnh (khí và bụi ) tại trung tâm của các thiên hà lớn hơn. Mặc dù bức xạ không đến từ chính các lỗ đen, nhưng ảnh hưởng của một vật thể lớn như vậy đối với vật chất xung quanh được cho là nguyên nhân.

Nói tóm lại, khí và bụi hình thành các đĩa bồi tụ ở trung tâm các thiên hà quay quanh các lỗ đen siêu lớn, dần dần cho chúng ăn. Lực hấp dẫn đáng kinh ngạc trong khu vực này nén vật liệu đĩa cho đến khi nó đạt tới hàng triệu độ kelvin, tạo ra bức xạ sáng và năng lượng điện từ. Một corona của vật liệu nóng cũng hình thành trên đĩa bồi tụ và có thể phân tán các photon lên đến năng lượng tia X.

Sự tương tác giữa từ trường quay SMBH và đĩa bồi tụ cũng tạo ra các tia từ trường mạnh mẽ bắn ra vật liệu bên trên và bên dưới lỗ đen với tốc độ tương đối tính (tức là ở một phần đáng kể của tốc độ ánh sáng). Những máy bay phản lực này có thể kéo dài hàng trăm ngàn năm ánh sáng và là nguồn phóng xạ quan sát thứ hai.

Khi thiên hà Andromeda hợp nhất với chính chúng ta sau vài tỷ năm, lỗ đen siêu lớn nằm ở trung tâm của nó sẽ hợp nhất với chính chúng ta, tạo ra một khối khổng lồ và mạnh mẽ hơn nhiều. Sự tương tác này có khả năng đẩy một số ngôi sao ra khỏi thiên hà kết hợp của chúng ta (tạo ra các ngôi sao giả mạo) và cũng có khả năng khiến hạt nhân thiên hà của chúng ta (hiện không hoạt động) hoạt động trở lại.

Nghiên cứu về các lỗ đen vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Và những gì chúng ta đã học được trong vài thập kỷ qua một mình vừa thú vị vừa gây cảm hứng. Cho dù chúng có khối lượng thấp hơn hoặc siêu lớn, các lỗ đen là một phần không thể thiếu trong Vũ trụ của chúng ta và đóng vai trò tích cực trong quá trình tiến hóa của nó.

Ai biết những gì chúng ta sẽ tìm thấy khi chúng ta nhìn sâu hơn vào Vũ trụ? Có lẽ một ngày nào đó chúng ta công nghệ, và sự táo bạo tuyệt đối, sẽ tồn tại để chúng ta có thể cố gắng đạt đến đỉnh cao dưới bức màn của một chân trời sự kiện. Bạn có thể tưởng tượng điều đó xảy ra?

Chúng tôi đã viết nhiều bài viết thú vị về các lỗ đen ở đây tại Tạp chí Vũ trụ. Ở đây Vượt lên trên mọi nghi ngờ hợp lý: Một hố đen siêu lớn sống ở trung tâm thiên hà của chúng ta, X-Ray Flare Echo tiết lộ Torus Torassive lỗ đen siêu lớn, Làm thế nào để bạn cân một lỗ đen siêu lớn? Lấy nhiệt độ của nó, và điều gì xảy ra khi các lỗ đen siêu lớn va chạm?

Astronomy Cast cũng có một số tập có liên quan về chủ đề này. Tại đây Tập 18: Lỗ đen Lớn và Nhỏ, và Tập 98: Chuẩn tinh.

Thêm thông tin để khám phá: Thiên văn học Cast Cast tập các Quasar, và Hố đen lớn và nhỏ.

Nguồn: