Hình ảnh này cho thấy một nghệ sĩ vẽ lại các vùng bên trong của một quasar được cung cấp bởi một lỗ đen siêu lớn ở trung tâm. Khi đĩa khí và bụi rơi vào lỗ đen, nhiệt độ cao tạo ra ánh sáng. Sự khác biệt trong ánh sáng này có thể giúp các nhà thiên văn học đo khối lượng của lỗ đen.
(Ảnh: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (bang Pennsylvania) / cộng tác SDSS)
Các lỗ đen quái vật ẩn nấp trong trung tâm của hầu hết các thiên hà trong vũ trụ, và bây giờ, một kỹ thuật mới đang giúp các nhà khoa học đo khối lượng của một số lỗ đen lớn nhất trong vũ trụ, ngay cả khi chúng nằm ở trung tâm rất mờ nhạt, xa xôi các thiên hà. Cách tiếp cận mới có thể cải thiện đáng kể sự hiểu biết của các nhà khoa học về cách những con khỉ này hình thành và phát triển và cách chúng ảnh hưởng đến sự tiến hóa của thiên hà.
"Đây là lần đầu tiên chúng tôi trực tiếp đo khối lượng cho rất nhiều lỗ đen siêu lớn từ rất xa", Catherine Grier, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại bang Pennsylvania, cho biết trong một tuyên bố từ Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier đã dẫn đầu một dự án để đo lường khối lượng của vô số các lỗ đen được gọi là siêu lớn sử dụng dữ liệu SDSS. Cô đã báo cáo kết quả vào thứ ba (ngày 9 tháng 1) tại cuộc họp của Hiệp hội Thiên văn học Hoa Kỳ tại National Harbor, Maryland.
"Những phép đo mới này và các phép đo trong tương lai giống như chúng sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho những người nghiên cứu cách các thiên hà phát triển và phát triển trong suốt thời gian vũ trụ", Grier nói. [Hình ảnh: Hố đen của vũ trụ]
Lỗ đen đo khối lượng
Dựa trên nhiều thập kỷ quan sát thiên hà, các nhà thiên văn học hiện nay đưa ra giả thuyết rằng trái tim của gần như mọi thiên hà lớn đều chứa một lỗ đen siêu lớn (SMBH). Những con quái vật khổng lồ này có thể nặng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần so với mặt trời của Trái đất. Các lỗ đen không tỏa ra hoặc phản xạ ánh sáng, vì vậy những SMBH này không thể được nhìn thấy trực tiếp. Nhưng khi trọng lực của SMBH hút bụi và khí từ thiên hà xung quanh, nó tạo ra một đĩa vật chất xoáy vào lỗ đen. Vật chất không đáng kể đó nóng lên và bắt đầu tỏa ánh sáng, làm cho lỗ đen "nhìn thấy" (mặc dù gián tiếp). Trong một số trường hợp, ánh sáng từ các đĩa này trở nên sáng hơn tất cả các ngôi sao trong thiên hà; những thiên hà cực kỳ sáng này sau đó được gọi là hạt nhân thiên hà hoạt động (AGN). AGN sáng nhất được gọi là chuẩn tinh, mà các nhà thiên văn học có thể nhìn thấy tất cả các cách trên vũ trụ hữu hình; họ chỉ ra sự hiện diện của một lỗ đen siêu lớn, theo tuyên bố.
Lỗ đen chỉ có ba thuộc tính có thể đo được - khối lượng, độ xoáy và điện tích - vì vậy tính toán khối lượng là một phần rất lớn để hiểu một lỗ đen riêng lẻ. Trong các thiên hà gần đó, các nhà thiên văn học có thể quan sát cách các nhóm sao và khí di chuyển xung quanh trung tâm thiên hà và sử dụng các chuyển động đó để suy ra khối lượng của lỗ đen trung tâm. Nhưng các thiên hà xa xôi nằm cách xa đến nỗi các kính viễn vọng không thể giải quyết các ngôi sao và các đám mây vật chất xung quanh lỗ đen, theo tuyên bố.
Một kỹ thuật được gọi là ánh xạ dội lại đã giúp các nhà thiên văn học có thể đo được khối lượng của các lỗ đen xa xôi này. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu so sánh độ sáng của khí phóng xạ ở khu vực bên ngoài của thiên hà với độ sáng của khí được tìm thấy ở khu vực bên trong của thiên hà. (Vùng bên trong này, rất gần với lỗ đen, được gọi là vùng liên tục). Khí trong khu vực liên tục ảnh hưởng đến khí di chuyển nhanh ra xa hơn. Tuy nhiên, ánh sáng cần có thời gian để đi ra ngoài hoặc dội lại, gây ra sự chậm trễ giữa những thay đổi nhìn thấy ở vùng bên trong và ảnh hưởng của chúng đối với vùng bên ngoài. Đo độ trễ cho thấy đĩa khí bên ngoài cách lỗ đen bao xa. Cùng với tốc độ quay quanh thiên hà, điều này cho phép các nhà thiên văn học đo khối lượng của SMBH, Grier nói với Space.com trong một email.
Nhưng quá trình này rất chậm. Để quan sát hiệu ứng vang dội, một thiên hà riêng lẻ phải được nghiên cứu lặp đi lặp lại trong vài tháng, trong khi các quasar ở xa có thể mất vài năm quan sát lặp đi lặp lại, các nhà nghiên cứu cho biết trong tuyên bố. Trong 20 năm qua, các nhà thiên văn học đã cố gắng sử dụng kỹ thuật dội lại chỉ khoảng 60 SMBH trong các thiên hà gần đó và một số ít các quasar ở xa.
Là một phần của Dự án lập bản đồ vang dội SDSS, Grier và các đồng nghiệp của cô đã bắt đầu lập bản đồ SMBH nhanh hơn khả năng trước đây. Chìa khóa để lập bản đồ nhanh hơn này đến từ kính viễn vọng quan sát rộng chuyên dụng của dự án, đặt tại Đài quan sát điểm Apache ở Sunspot, New Mexico, có thể thu thập dữ liệu trên nhiều chuẩn tinh cùng một lúc, theo Grier. Hiện tại nó đang quan sát một mảng bầu trời chứa khoảng 850 quasar.
Các nhà nghiên cứu đã quan sát các quasar bằng Kính viễn vọng Canada-Pháp-Hawaii ở Hawaii và Kính viễn vọng Bok của Đài thiên văn Steward ở Arizona để hiệu chỉnh các phép đo của chúng về các vật thể cực kỳ mờ nhạt. Tổng cộng, các nhà nghiên cứu hiện đã đo độ trễ thời gian vang dội cho 44 quasar và họ đã sử dụng các phép đo đó để tính toán khối lượng lỗ đen từ 5 triệu đến 1,7 tỷ lần khối lượng mặt trời của Trái đất, theo tuyên bố.
"Đây là một bước tiến lớn cho khoa học chuẩn tinh", Aaron Barth, giáo sư thiên văn học tại Đại học California, Irvine, người không tham gia vào nghiên cứu của nhóm, cho biết trong tuyên bố. "Lần đầu tiên họ đã chỉ ra rằng những phép đo khó khăn này có thể được thực hiện ở chế độ sản xuất hàng loạt."
Các phép đo mới làm tăng tổng số phép đo khối lượng SMBH của thiên hà khoảng hai phần ba. Do nhiều thiên hà ở rất xa, các phép đo mới cho thấy khối lượng SMBH từ thời xa xưa trở lại, cho đến khi vũ trụ chỉ còn một nửa tuổi hiện tại.
Bằng cách tiếp tục quan sát 850 quasar bằng kính viễn vọng SDSS trong nhiều năm, nhóm nghiên cứu sẽ tích lũy nhiều năm dữ liệu cho phép họ đo khối lượng của các quasar thậm chí mờ hơn, thời gian trì hoãn lâu hơn không thể đo được bằng một năm dữ liệu.
Yue Shen, giáo sư trợ lý tại Đại học Illinois và là nhà điều tra chính của Dự án lập bản đồ dội lại SDSS cho biết: "Việc quan sát các quasar trong nhiều năm là rất quan trọng để có được các phép đo tốt. "Khi chúng tôi tiếp tục dự án theo dõi ngày càng nhiều quasar trong nhiều năm tới, chúng tôi sẽ có thể hiểu rõ hơn về cách các hố đen siêu lớn phát triển và phát triển."
Sau khi giai đoạn thứ tư hiện tại của SDSS kết thúc vào năm 2020, giai đoạn thứ năm, SDSS-V, sẽ bắt đầu. SDSS-V có một chương trình mới gọi là Black Hole Mapper, trong đó các nhà nghiên cứu có kế hoạch đo khối lượng SMBH trong hơn 1.000 quasar, quan sát các quasar mờ hơn và các quasar cũ hơn bất kỳ dự án lập bản đồ vang dội nào từng được quản lý.
Niel Brandt, giáo sư thiên văn học và vật lý thiên văn tại bang Pennsylvania và là thành viên lâu năm của SDSS, cho biết: "The Black Hole Mapper sẽ cho phép chúng ta bước vào thời đại lập bản đồ vang dội lỗ đen khổng lồ trên quy mô công nghiệp thực sự. "Chúng tôi sẽ tìm hiểu thêm về những vật thể bí ẩn này hơn bao giờ hết."
