Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn học đã biết rằng Lỗ đen siêu khối (SMBH) cư trú tại trung tâm của hầu hết các thiên hà khổng lồ. Những lỗ đen này, có khối lượng từ hàng trăm nghìn đến hàng tỷ khối lượng Mặt trời, gây ảnh hưởng mạnh mẽ đến vật chất xung quanh và được cho là nguyên nhân của Hạt nhân Thiên hà Hoạt động (AGN). Từ lâu các nhà thiên văn học đã biết về họ, họ đã tìm cách hiểu SMBH hình thành và phát triển như thế nào.
Trong hai nghiên cứu được công bố gần đây, hai nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế báo cáo về việc phát hiện năm cặp lỗ đen mới được phát hiện tại trung tâm của các thiên hà xa xôi. Khám phá này có thể giúp các nhà thiên văn học làm sáng tỏ cách thức SMBH hình thành và phát triển theo thời gian, chưa kể đến việc sáp nhập lỗ đen tạo ra sóng hấp dẫn mạnh nhất trong Vũ trụ.
Bốn ứng cử viên lỗ đen kép đầu tiên đã được báo cáo trong một nghiên cứu có tiêu đề AG Buried AGNs trong Advanced Sáp nhập: Lựa chọn màu hồng ngoại giữa như một công cụ tìm kiếm AGN kép, được dẫn dắt bởi Shobita Satyapal, giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học George Mason. Nghiên cứu này đã được chấp nhận để công bố trong Tạp chí Vật lý thiên văn và gần đây đã xuất hiện trực tuyến.
Nghiên cứu thứ hai, báo cáo ứng cử viên lỗ đen kép thứ năm, được dẫn dắt bởi Sarah Ellison - một giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Victoria. Nó đã được xuất bản gần đây trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia dưới tiêu đề Khám phá về một hạt nhân thiên hà hoạt động kép với ~ 8 kpc Tách rời. Việc phát hiện ra năm cặp lỗ đen này rất tình cờ, vì các cặp đó là một phát hiện rất hiếm.
Như Shobita Satyapal đã giải thích trong một thông cáo báo chí của Chandra:
Các nhà thiên văn học đã tìm thấy các lỗ đen siêu lớn duy nhất trên khắp vũ trụ. Nhưng mặc dù chúng tôi đã dự đoán chúng phát triển nhanh chóng khi chúng tương tác, nhưng việc phát triển các hố đen siêu lớn kép rất khó tìm.“
Các cặp lỗ đen được phát hiện bằng cách kết hợp dữ liệu từ một số công cụ trên mặt đất và không gian khác nhau. Điều này bao gồm dữ liệu quang học từ Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan (SDSS) và Kính thiên văn hai mắt lớn trên mặt đất (LBT) ở Arizona với dữ liệu cận hồng ngoại từ Máy dò khảo sát hồng ngoại trường rộng (WISE) và dữ liệu x-quang từ Chandra của NASA Đài quan sát tia X.
Vì lợi ích của nghiên cứu, Satyapal, Ellison và các nhóm tương ứng của họ đã tìm cách phát hiện AGN kép, được cho là hậu quả của việc sáp nhập thiên hà. Họ bắt đầu bằng cách tham khảo dữ liệu quang học từ SDSS để xác định các thiên hà dường như đang trong quá trình hợp nhất. Dữ liệu từ khảo sát WISE trên bầu trời sau đó đã được sử dụng để xác định các thiên hà hiển thị các AGN mạnh nhất.
Sau đó, họ đã tham khảo dữ liệu từ Máy quang phổ hình ảnh nâng cao CCD (ACIS) và LBT để xác định bảy thiên hà dường như đang ở giai đoạn sáp nhập tiên tiến. Nghiên cứu do Ellison dẫn đầu cũng dựa trên dữ liệu quang học được cung cấp bởi khảo sát Bản đồ các thiên hà gần đó tại Đài quan sát điểm quan sát (MaNGA) của Apache để xác định một trong các cặp lỗ đen mới.
Từ dữ liệu kết hợp, họ phát hiện ra rằng năm trong số bảy thiên hà hợp nhất đã lưu trữ các AGN kép có thể, được phân tách dưới 10 kiloparsec (hơn 30.000 năm ánh sáng). Điều này được chứng minh bằng dữ liệu hồng ngoại được cung cấp bởi WISE, phù hợp với những gì được cho là của các lỗ đen siêu lớn đang phát triển nhanh chóng.
Ngoài ra, dữ liệu Chandra cho thấy các cặp nguồn tia X được phân tách chặt chẽ, cũng phù hợp với các lỗ đen có vật chất đang dần được bồi đắp lên chúng. Dữ liệu tia hồng ngoại và tia X này cũng cho thấy các lỗ đen siêu lớn được chôn trong một lượng lớn bụi và khí. Như Ellison đã chỉ ra, những phát hiện này là kết quả của công việc cần thiết bao gồm việc sắp xếp qua nhiều bước sóng dữ liệu:
Công việc của chúng tôi cho thấy rằng việc kết hợp lựa chọn hồng ngoại với theo dõi tia X là một cách rất hiệu quả để tìm ra các cặp lỗ đen này. Tia X và bức xạ hồng ngoại có thể xuyên qua các đám mây khí và bụi che khuất xung quanh các cặp lỗ đen này và cần có tầm nhìn sắc nét của Chandra.
Trước nghiên cứu này, ít hơn mười cặp lỗ đen đang phát triển đã được xác nhận dựa trên các nghiên cứu tia X, và chúng chủ yếu là tình cờ. Công trình mới nhất này, đã phát hiện năm cặp lỗ đen sử dụng dữ liệu kết hợp, do đó vừa may mắn vừa có ý nghĩa. Bên cạnh việc củng cố giả thuyết rằng các lỗ đen siêu lớn hình thành từ sự hợp nhất của các lỗ đen nhỏ hơn, những nghiên cứu này cũng có ý nghĩa nghiêm trọng đối với nghiên cứu sóng hấp dẫn.
Satyapa cho biết, điều quan trọng là phải hiểu các cặp lỗ đen siêu lớn phổ biến như thế nào, để giúp dự đoán các tín hiệu cho các đài quan sát sóng hấp dẫn. Các thí nghiệm đã có sẵn và những tương lai sắp xuất hiện, đây là thời điểm thú vị để nghiên cứu về việc hợp nhất các lỗ đen. Chúng ta đang ở giai đoạn đầu của một kỷ nguyên mới trong việc khám phá vũ trụ.
Kể từ năm 2016, tổng cộng bốn trường hợp sóng hấp dẫn đã được phát hiện bởi các thiết bị như Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) và Đài quan sát VIRGO. Tuy nhiên, những phát hiện này là kết quả của sự hợp nhất lỗ đen trong đó các lỗ đen đều nhỏ hơn và nhỏ hơn - giữa tám và 36 khối lượng Mặt trời.
Mặt khác, các hố đen siêu khối lượng lớn hơn nhiều và có khả năng sẽ tạo ra một dấu hiệu sóng hấp dẫn lớn hơn nhiều khi chúng tiếp tục xích lại gần nhau hơn. Và trong vài trăm triệu năm nữa, khi các cặp này cuối cùng hợp nhất, năng lượng tạo ra từ khối lượng được chuyển thành sóng hấp dẫn sẽ là không thể tin được.
Hiện tại, các máy dò như LIGO và Virgo không thể phát hiện ra sóng hấp dẫn được tạo ra bởi các cặp hố đen siêu lớn. Công việc này đang được thực hiện bởi các mảng như Đài quan sát Nanohertz của Bắc Mỹ đối với sóng hấp dẫn (NANOGrav), dựa trên các xung milli giây có độ chính xác cao để đo ảnh hưởng của sóng hấp dẫn trong không gian.
Anten không gian giao thoa kế laser (LISA) được đề xuất, sẽ là máy dò sóng hấp dẫn dựa trên không gian chuyên dụng đầu tiên, cũng được kỳ vọng sẽ giúp ích trong việc tìm kiếm. Trong khi đó, nghiên cứu sóng hấp dẫn đã được hưởng lợi rất nhiều từ những nỗ lực hợp tác giống như nghiên cứu tồn tại giữa Advanced LIGO và Advanced Virgo.
Trong tương lai, các nhà khoa học cũng dự đoán rằng họ sẽ có thể nghiên cứu nội thất của siêu tân tinh thông qua nghiên cứu sóng hấp dẫn. Điều này có khả năng tiết lộ rất nhiều về các cơ chế đằng sau sự hình thành lỗ đen. Giữa tất cả những nỗ lực không ngừng này và sự phát triển trong tương lai, chúng ta có thể mong đợi để nghe được nghe rất nhiều về Vũ trụ và các lực lượng mạnh nhất hoạt động trong đó.
Hãy chắc chắn kiểm tra hoạt hình này cho thấy sự hợp nhất cuối cùng của hai trong số các cặp lỗ đen này sẽ trông như thế nào, với sự giúp đỡ của Đài quan sát tia X Chandra:
