Vũ trụ quan sát được là một nơi cực kỳ lớn, có đường kính ước tính khoảng 91 tỷ năm ánh sáng. Do đó, các nhà thiên văn buộc phải dựa vào các công cụ mạnh mẽ để nhìn thấy các vật thể ở xa. Nhưng ngay cả những điều này đôi khi bị hạn chế, và phải được kết hợp với một kỹ thuật được gọi là thấu kính hấp dẫn. Điều này liên quan đến việc dựa vào sự phân bố lớn của vật chất (một thiên hà hoặc ngôi sao) để phóng đại ánh sáng đến từ một vật thể ở xa.
Sử dụng kỹ thuật này, một nhóm quốc tế do các nhà nghiên cứu từ Đài quan sát Đài phát thanh Owens Valley (OVRO) của Viện Công nghệ California (OVRO) dẫn đầu đã có thể quan sát các tia khí nóng phun ra từ một lỗ đen siêu lớn trong một thiên hà xa xôi (được gọi là PKS 1413 + 135). Phát hiện này cung cấp cái nhìn tốt nhất cho đến nay về các loại khí nóng thường được phát hiện đến từ các trung tâm của các lỗ đen siêu lớn (SMBH).
Các kết quả nghiên cứu đã được mô tả trong hai nghiên cứu được công bố trong số ra ngày 15 tháng 8 của Tạp chí Vật lý thiên văn. Cả hai đều được lãnh đạo bởi Harish Vedantham, một học giả sau tiến sĩ Caltech Millikan, và là một phần của một dự án quốc tế do Anthony Readhead - Giáo sư thiên văn học Robinson, Emeritus, và giám đốc của OVRO dẫn đầu.
Dự án OVRO này đã hoạt động từ năm 2008, thực hiện các quan sát hai lần một tuần của khoảng 1.800 SMBH đang hoạt động và các thiên hà tương ứng của chúng bằng kính viễn vọng 40 mét. Những quan sát này đã được tiến hành để hỗ trợ Kính viễn vọng không gian tia Gamma của NASA Fermi, đang tiến hành các nghiên cứu tương tự về các thiên hà và SMBH của chúng trong cùng thời kỳ.
Như nhóm nghiên cứu đã chỉ ra trong hai nghiên cứu của họ, những quan sát này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về các khối vật chất được đẩy ra định kỳ từ các lỗ đen siêu lớn, cũng như mở ra những khả năng mới cho nghiên cứu thấu kính hấp dẫn. Như Tiến sĩ Vedantham đã chỉ ra trong một thông cáo báo chí gần đây của Caltech:
Chúng ta đã biết về sự tồn tại của những khối vật chất này chạy dọc theo các tia nước lỗ đen và chúng di chuyển gần với tốc độ ánh sáng, nhưng không biết nhiều về cấu trúc bên trong của chúng hoặc cách chúng được phóng. Với các hệ thống thấu kính như thế này, chúng ta có thể thấy các cụm gần với động cơ trung tâm của lỗ đen và chi tiết hơn nhiều so với trước đây.
Trong khi tất cả các thiên hà lớn được cho là có SMBH ở trung tâm thiên hà của chúng, không phải tất cả đều có các luồng khí nóng đi kèm. Sự hiện diện của các máy bay phản lực này có liên quan đến cái được gọi là Hạt nhân Thiên hà Hoạt động (AGN), một vùng nhỏ gọn ở trung tâm của một thiên hà đặc biệt sáng ở nhiều bước sóng - bao gồm radio, lò vi sóng, hồng ngoại, quang học, cực tím, X-quang và tia gamma.
Những máy bay phản lực này là kết quả của vật liệu bị kéo về phía SMBH, một số trong đó cuối cùng bị đẩy ra dưới dạng khí nóng. Vật chất trong các luồng này truyền đi gần với tốc độ ánh sáng và các luồng hoạt động trong khoảng thời gian từ 1 đến 10 triệu năm. Trong khi hầu hết thời gian, các máy bay phản lực tương đối ổn định, cứ sau vài năm, chúng lại phun ra những khối vật chất nóng khác.
Trở lại năm 2010, các nhà nghiên cứu của OVRO nhận thấy rằng phát xạ vô tuyến PKS 1413 + 135, đã phát sáng, mờ dần và sau đó sáng trở lại trong suốt một năm. Năm 2015, họ nhận thấy hành vi tương tự và tiến hành phân tích chi tiết. Sau khi bác bỏ những lời giải thích có thể khác, họ kết luận rằng sự phát sáng tổng thể có khả năng là do hai khối vật liệu tốc độ cao bị đẩy ra khỏi lỗ đen.
Những cụm này di chuyển dọc theo máy bay phản lực và trở nên phóng đại khi chúng đi đằng sau thấu kính hấp dẫn mà chúng đang sử dụng để quan sát. Khám phá này khá tình cờ, và là kết quả của nhiều năm nghiên cứu thiên văn. Như Timothy Pearson, một nhà khoa học nghiên cứu cao cấp tại Caltech và là đồng tác giả của bài báo, đã giải thích:
Sau đó, người ta đã quan sát một số lượng lớn các thiên hà để tìm ra vật thể này với các điểm sáng đối xứng có độ sáng chỉ ra sự hiện diện của một thấu kính hấp dẫn. Bây giờ chúng tôi đang xem xét tất cả các dữ liệu khác của chúng tôi để cố gắng tìm các vật thể tương tự có thể cung cấp một cái nhìn phóng đại về các hạt nhân thiên hà.
Điều cũng thú vị về các quan sát của đội tuyển quốc tế là bản chất của ống kính trên máy tính mà họ sử dụng. Trước đây, các nhà khoa học đã dựa vào các thấu kính khổng lồ (tức là toàn bộ các thiên hà) hoặc các thấu kính siêu nhỏ bao gồm các ngôi sao đơn lẻ. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Vedantham và Tiến sĩ Readhead dẫn đầu đã dựa vào một thứ mà họ mô tả là một ống kính milli ống kính của khoảng 10.000 khối lượng mặt trời.
Đây có thể là nghiên cứu đầu tiên trong lịch sử dựa trên một thấu kính cỡ trung bình, mà họ tin rằng rất có thể là cụm sao. Một trong những lợi thế của ống kính cỡ milli là nó không đủ lớn để chặn toàn bộ nguồn sáng, giúp dễ dàng phát hiện các vật thể nhỏ hơn. Với hệ thống thấu kính hấp dẫn mới này, người ta ước tính rằng các nhà thiên văn học sẽ có thể quan sát các khối ở quy mô nhỏ hơn khoảng 100 lần so với trước đây. Như Readhead đã giải thích:
Những cụm mà chúng ta nhìn thấy rất gần với lỗ đen trung tâm và rất nhỏ - chỉ vài ngày ánh sáng. Chúng tôi nghĩ rằng những thành phần nhỏ bé này chuyển động gần với tốc độ ánh sáng đang được phóng đại bởi một thấu kính hấp dẫn trong thiên hà xoắn ốc phía trước. Điều này cung cấp độ phân giải tinh tế của một phần triệu giây, tương đương với việc xem một hạt muối trên mặt trăng từ Trái đất.
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng chính ống kính này là mối quan tâm của khoa học, vì lý do đơn giản là không biết nhiều về các vật thể trong phạm vi khối lượng này. Do đó, cụm sao tiềm năng này có thể hoạt động như một loại phòng thí nghiệm, giúp các nhà nghiên cứu có cơ hội nghiên cứu thấu kính milli hấp dẫn đồng thời cung cấp cái nhìn rõ ràng về các tia hạt nhân phát ra từ hạt nhân thiên hà hoạt động.
Nhìn về phía trước, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ xác nhận kết quả nghiên cứu của họ bằng cách sử dụng một kỹ thuật khác gọi là Giao thoa kế đường cơ sở rất dài (VLBI). Điều này sẽ liên quan đến các kính viễn vọng vô tuyến từ khắp nơi trên thế giới chụp ảnh chi tiết về PKS 1413 + 135 và SMBH tại trung tâm của nó. Cho đến những gì họ đã quan sát cho đến nay, có khả năng SMBH này sẽ phun ra một khối vật chất khác trong một vài năm (vào năm 2020).
Vedantham, Readhead và các đồng nghiệp của họ có kế hoạch sẵn sàng cho sự kiện này. Phát hiện cụm sao tiếp theo này không chỉ xác nhận các nghiên cứu gần đây của họ, mà còn xác nhận kỹ thuật ống kính milli mà họ sử dụng để tiến hành quan sát. Như Readhead đã chỉ ra, chúng tôi không thể học những nghiên cứu như thế này mà không có đài quan sát của trường đại học như Đài quan sát Đài phát thanh Thung lũng Owens, nơi chúng tôi có thời gian dành riêng một kính viễn vọng lớn cho một chương trình duy nhất.
Các nghiên cứu đã được thực hiện nhờ sự tài trợ của NASA, Quỹ khoa học quốc gia (NSF), Viện Smithsonian, Academia Sinica, Viện hàn lâm Phần Lan và Trung tâm nghiên cứu Chile của Chile de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA).
