hố đen

Meg Urry, nhà thiên văn học kiêm giáo sư vật lý thuộc đại họcYale cho biết: “Bức tranh đang hiện hình về các hố đen và thiên hà đồng tiến hóa đã thay đổi quan điểm về các hố đen của chún

Hố đen

Trang lịch sử mới về hố đen (phần I)

Trang lịch sử mới về hố đen (phần II)

Trang lịch sử mới về hố đen (phần III)

Hố đen vũ trụ vốn phải chịu đựng danh tiếng xấu Báo chí kếttội chúng là những

con quái vật trọng lực, các nhà thiên văn học gán cho chúng biệt danh những kẻ

thích ẩn mình, còn các giả thuyết từ lâu vẫn coi chúng là điểmdừng của quá trình

tiến hóa vũ trụ Những vật thể không thể nhìn thấy được này được miêu tả giống

như thế lực bí ẩn tiêu hủy và bòn rút sự sống

Do đó có vẻ thật kỳ lạ khi coi chúng là nguồn lực sáng tạo không thể thiếu trong vũ trụ

Thế nhưng đây lại là bức trang sáng sủa mới của các hố đen cùng với vai trò của chúng

trong quá trình tiến hóa vũ trụ Các cuộc phỏng vấn với nhiều chuyên gia đã viết lại

trang sử khó nắm bắt của những vật thể hay ẩn náu này

đồng thời tiết lộ hố đen thực chất

là những nhà điêu khắc của thiên hà

Dưới quan điểm mới đã được chỉnh sửa, tuy vẫn còn chứa đựng nhiều thông tin gây

tranh cãi, nhiều đoạn văn còn mờ nhạt hay những chương

mở đầu còn thiếu chi tiết, hố

đen được chứng minh giữ vai trò nguồn lực cơ bản trong quátrình phát triển cũng như

hình dạng cơ bản của thiên hà cùng với sự phân bố sao trongthiên hà Lịch sử mới

cũng cho thấy một hố đen gần như chắc chắn là sản phẩm của thiên hà mà nó cư

ngụ

Giả thuyết hình thành mang một cái tên thông dụng kiểu

Darwin: đồng tiến hóa

Đồng tiến hóa xảy ra khoảng dưới một thập kỷ, và kéo dài tới

30 năm phụ thuộc vào đối

tượng Rất nhiều các nhà giả thuyết học chưa bao giờ nhìn nhận điều này một cách

nghiêm túc, và cũng không ai có đủ bằng chứng để củng cố

nó Chỉ trong vòng 6 năm

trở lại đây, giả thuyết đã có được vị thế nhất định Trong vòng

ba năm trở lại đây, các

quan sát đã hỗ trợ đắc lực để biến giả thuyết đồng tiến hóa trở thành giả thuyết chính

thống về cả sự phát triển hố đen và sự hình thành thiên hà

Meg Urry, nhà thiên văn học kiêm giáo sư vật lý thuộc đại họcYale cho biết: “Bức

tranh đang hiện hình về các hố đen và thiên hà đồng tiến hóa

đã thay đổi quan điểm về

các hố đen của chúng ta Trước đây, các hố đen được coi là điểm dừng của quá trình

tiến hóa, giai đoạn nghỉ ngơi cuối cùng của hầu hết hoặc tất

cả các vật chất trong vũ

trụ Hiện nay chúng ta tin rằng các hố đen cũng giữ một vai trò chủ chốt trong sự hình

thấy các thiên hà trên thực tế đã hình thành xung quanh

những hố đen đầu tiên

Hố đen và quá trình đồng tiến hóa

Một sự liên kết nào đó có lẽ đã châm ngòi cho năng lượng đầu ra của thiên hà Centaurus A (Ảnh:

Space)

Câu đố

Rất đặc nhưng những vật thể được gọi là chuẩn tinh này có thể chiếu sáng cả ngàn thiên

hà bình thường Chúng xuất hiện rất nhiều vào thời điểm vũ trụ chưa đầy 10% tuổi thọ

của nó Chuẩn tinh được các hố đen cung cấp năng lượng vànặng hơn một tỷ mặt

trời Bằng cách nào chúng có thể lớn nhanh như vậy?

Giả thuyết đi trước

Quá trình đồng tiến hóa cho rằng các thiên hà và các hố đen cực lớn tiến hóa cùng nhau,

mỗi một vật thể phải dựa vào vật thể kia để có được trọng lượng cơ bản của nó Nếu

điều này là đúng, một khi đã được tìm hiểu đầy đủ, giả thuyếtmới sẽ giúp giải đáp câu

và nuôi dưỡng các hố đen

Vật chất tối được nghiên cứu bằng cách tìm hiểu các

đám mây khí nóng như trên hình (Ảnh: Space)

Ở gần các chuẩn tinh là các thiên hà thông thường có lẽ chỉ vừa đi qua giai đoạn chuẩn

tinh, có thể thấy được trên ảnh.

Chỗ phình ở trung tâm của các ngôi sao thuộc nhiều thiên hà,

ví dụ như thiên hà Milky

Way, có liên quan trực tiếp đến khối lượng của các hố đen bị chôn bên trong Các kích

cỡ của một thiên hà cũng có liên quan chặt chẽ đối với “thói quen ăn uống” của hố

đen

Hầu hết khối lượng của hố đen chính là tổng trọng lượng khí,điều này chỉ ra rằng hố

đen cần có một thiên hà xung quanh ở phát triển

Con ngựa màu đen

Quầng sáng vật chất tối bí ẩn được cho là lan truyền vào không gian bao quanh các thiên

hà “Chiếc máy phát” trọng lực vô hình này giữ một vai trò quan trọng trong thiên hà

cũng như sự tạo thành hố đen

Các giả thuyết tương tự

Nếu giả thuyết đồng tiến hóa thống trị, như hầu hết các nhà nghiên cứu tin tưởng, thì hay

giả thuyết khác sẽ trở thành sai: một là thiên hà hình thành đầu tiên và dẫn tới sự phát

triển của hố đen; hai là hố đen hình thành trước, cung cấp hạt giống để thiên hà kết

hợp lại Cũng có thể các dạng thiên hà khác nhau hình thành bằng những phương tiện

khác nhau, và quá trình đồng tiến hóa chỉ có thể mô tả một con đường dẫn tới sự hoàn

thiện của thiên hà

Vào đầu tháng này, Windhorst cùng cộng sự Haojing Yan sẽ công bố bức ảnh chụp được

bằng kính viễn vọng không gian Hubble thể hiện hình ảnh cácthiên hà bình thường ở xa

hiện qua những quan sát riêng biệt thuộc Khảo

sát bầu trời kỹ thuật số Sloan rất rắn chắc và

sáng rực rỡ chính là các chuẩn tinh Những

thiên hà sáng chói chính là vì mỗi một thiên hà

mặt trời của chúng ta.

Ở gần các chuẩn tinh là các thiên hà Lực hút tạo thành đã húttất cả khí xung quanh

thông thường có lẽ chỉ vừa đi qua giai Vật chất được gia tốc đến gần tương đương với

đoạn chuẩn tinh, có thể thấy được trên tốc độ ánh sáng, bị làm nóng cực độ rồi bị nuốt

ảnh (Ảnh: Space) chửng Quá trình nàykhông hiệu quả hoàn toàn

mà vẫn có sản phẩm phụ: một lượng lớn năng lương, chính

là sóng radio, tia X và ánh

sáng bình thường – chiếu sáng toàn bộ khung cảnh

Chuẩn tinh dường như cũng được bao quanh bởi các quần sáng của vật chất tối, đây là

một thành phần bí ẩn không quan sát được của mọi thiên hà Các nhà nghiên cứu đang

dần nhận ra rằng đồng tồn tại và xen lẫn vật chất tối chính là vùng sao và khí vỡ vụn lớn

bằng hoặc thậm chí lớn hơn thiên hà của chúng ta

Không thể có sự trùng hợp ngẫu nhiên khi mà hai phát hiện –chuẩn tinh ở phía xa và

các thiên hà thông thường – được công bố cùng lúc lại hội nghị của Hiệp hội thiên văn

học Hoa Kỳ (AAS) vào ngày 9 tháng 1 Quá trình đồng tiến hóa đã cùng hiển hiện trong

Windhorst đặt ra câu hỏi: “Thế còn cả hai cùng xuất hiện thì sao? Trên thực tế bạn có

thể có thiên hà hình thành đồng thời với một hố đen đang lớndần lên”

Urry dù không tham gia vào quá trình khám phá nhưng khi được đề nghị phân tích vấn

đề đã giải thích như thế này: “Chúng tôi tin rằng các thiên hà

và chuẩn tinh có mối liên

hệ mật thiết, thực tế chuẩn tinh là một pha trong quá trình tiếnhóa thiên hà Đối với

bức tranh hiện nay của chúng ta, khi mỗi một thiên hà hình thành và sụp đổ nó phải trải

qua một pha chuẩn tinh ngắn”

Vậy khi một chuẩn tinh nằm in lìm, những gì còn lại sẽ được gắn kết với thiên hà bình

thường – những ngôi sao, khí vần vũ xung quanh một cái hố vật chất bí ẩn nằm ở trung

được mở rộng để nhìn được sâu xa hơn trong quá khứ, dữ liệu cũng được đưa ra xử lý

bằng các mô hình máy tính hiện đại

phần phình hình cầu mới có các lỗ đen siêu lớn cư ngụ

Thiên hà Milky Way, nếu có thể nhìn được từ ngoài rìa, sẽ là một ví dụ thích hợp về một

trong những chỗ phình của thiên hà Milky Way nhỏ hơn rất nhiều thiên hà, và nó có

một hố đen cũng nhỏ hơn tương ứng, vào khoảng 2,6 triệu lần mặt trời Theo các nhà

thiên văn học, nó chắc chắn đã từng trải qua giai đoạn chuẩn tinh

Vào giữa những năm 1990, không ai biết chắc chắn hố đen phổ biến như thế nào Giả

thuyết cùng với các dữ liệu quan sát đã dẫn đến một khả năng rằng chúng tồn tại ở khắp

tâm Bên cạnh đó, một phân tính cũng cho thấy có mối liên hệtrực tiếp giữa khối

lượng của mỗi hố đen và hình dạng cũng như phạm vi của chỗ phình, dẫn tới kích

cỡ chung của thiên hà

Tại một hội nghị của AAS vào tháng 6 năm 2000, John

Kormendy thuộc Đại học Texas

tại Austin đã công bố các bằng chứng về 10 hố đen ma mút với khối lượng có liên quan

tới chỗ phình trong thiên hà của chúng Kormen làm việc trong một nhóm các nhà

nghiên cứu lớn do nhà thiên văn học Douglas Richstone

thuộc Đại học Michigan chỉ

đạo Hiện nay một vài nhà nghiên cứ cho rằng, nghiên cứu này cùng với các nghiên cứu

khác tiến hành gần nhau đóng vai trò là một bước ngoặt

chung cho quá trình đồng

tiến hóa, tiến tới gian đoạn thăng bằng định lượng ổn định

Haehnelt cho biết: “Quan điểm về quá trình đồng tiến hóa củacác thiên hà và các hố

đen khổng lồ sau đó được thảo luận và chấp nhận rộng rãi hơn”

Các bằng chứng tiếp tục được thu thập thêm Vào năm 2001,hai nhóm nghiên cứu riêng

biệt chứng minh được rằng nhiều thiên hà nhỏ hơn không có chỗ phình dường như cũng

ràng rằng các hố đen siêu lớn có thể thay đổi đáng kể cấu trúc và sự tiến hóa của các

nhiệm điều khiển quá trình hình thành hố đen.

Nếu hố đen phát triển gia tăng, thì không xác định được rõ ràng liệu sự hình thành phối

hợp xảy ra từ giai đoạn đầu, hay nhảy vào sau khi một lượng khối lượng nhất định đã

liệu hố đen có giữ vai trò nào trong quá trình hình thành

những thiên hà đầu tiên hay

không”

Ông nói tiếp: “Trên thực tế, có rất nhiều tranh luận xung

quanh vấn đề liệu hố đen có

thể hình thành trong những thiến hà rất nhỏ, và liệu có sự liên

hệ nào giữa hố đen ‘nhỏ’

hình thành như điểm dừng trong quá trình tiến hóa của các vìsao lớn và những hố đen

có khối lượng bằng một triệu hệ mặt trời tồn tại trong trung tâm của các thiên hà hay

ràng có liên quan đến sự hình thành và phát triển thiên hà.

Một đám khí hố đen giống như con vật thèm ăn Thói quen ăn

uống cẩu thả của nó tạo ra các sản phẩm phụ là năng lượng điện

tử, từ sóng radio đến tia X, thắp sáng toàn bộ không gian xung

quanh, che dấu những gì đang diễn ra Và đây chính

Laura Ferrrarese, nhà vật lý học thuộc đại học Rutgers, đã phân tích phát hiện vật chất

tối này Theo bà, phát hiện cho thấy một hố đen siêu lớn, các

vì sao xung quanh nó, và

quầng sáng vật chất tối bao quanh phối hợp hài hòa để tạo nên cấu trúc

Cân nhắc với các bằng chứng khác, Ferrarese nhận thấy vai trò của vật chất tối còn lớn

hơn, hiển nhiên hơn nhiều giả thuyết gia từng nhận xét

Bà nói: “Có mối liên hệ quan sát được giữa khối lượng của

hố đen và khối lượng của

quầng sáng vật chất tối, không nhất thiết phải là khối lượng của thiên hà”

Mặc dù thông tin còn mờ nhạt và còn nhiều suy nghĩ khác nhau, các giả thuyết gia phải

nghiên cứu để giải thích một sự thật gây sửng sốt: Vào

khoảng 300 triệu năm đến 800

triệu năm sau Big Bang, những hố đen đầu tiên được hình thành rồi “ăn ngấu

nghiến” để đạt tới khối lượng lớn hơn 1 tỷ mặt trời

Trước khi suy nghĩ về cách mà những tay vật Sumo của vũ trụ thời kỳ đầu này di chuyển

cơ thể trong một trận đấu vật thì hay cân nhắc điều này: Một

hố đen có thể nuốt chưa

đầy 1% tổng khối lượng của thiên hà mà nó “thả neo”

Tỏa sáng trong thời kỳ tăm tối

Lịch sử giai đoạn đầu của hố đen – diễn ra trong 500 triệu năm dẫn đến những vật thể

quan sát được bằng công nghệ hiện đại – có sự gắn kết với quá trình phát triển của

những ngôi sao đầu tiên Suy xét về điều này đòi hỏi trước tiên phải quay lại giai đoạn

kết cấu bằng phẳng của không gian

Windhorst, nhà thiên văn học thuộc đại học Arizona giải thích:

“Trong suốt 300 triệu

năm không có sự kiện nào diễn ra Vũ trụ chỉ đứng im lìm như thế Sau đó đột nhiên

những ngôi sao đầu tiên bắt đầu chiếu sáng”

Thời điểm ánh sáng đầu tiên phát ra chưa thể xác định được chính xác Nhưng trong

suốt 500 triệu năm sau đó cái gọi là kỷ nguyên tăm tối của vũ trụ đã ngự trị Chính xác

hơn, những ánh sáng này đánh dấu giai đoạn tỏa sáng của

vũ trụ và chấm dứt kỷ nguyên

tăm tối

Những hố đen đầu tiên

Các nhà khoa học đã từng hình dung ra các thiên hà hình thành theo con đường

sụp đổ nguyên khối, trong đó một đám mây khí khổng lồ bỗngnhiệt gãy vỡ từ bên

trong Quan điểm hiện đại dựa trên “sự xuất hiện phân tầng” trong đó từng chút

một được hình thành qua thời gian Sơ đồ thô về con đường diễn ra nhận được sự

phản ứng nhiệt hạch giúp ngôi sao phát sáng

Các ngôi sao khổng lồ thì chết sớm Một số chỉ tồn tại trong vòng 10 triệu năm (mặt trời

có tuổi thọ 4,6 tỷ năm và đang ở độ tuổi “trung niên”) Sau đó một vụ nổ kinh hoàng

diễn ra, đưa các nguyên tố nặng hơn mới được tôi luyện vào

vũ trụ Một khối lượng

tương đương với rất nhiều ngôi sao có thể chấm dứt với kết cục chỉ bằng một quả bóng

không lớn hơn một thành phố là mấy Kết quả là: một hố đen tinh tú hình thành Những

vật thể này đậm đặc đến nỗi không có một thứ gì, kể cả ánh sáng có thể thoát ra

được một khi đã nằm bên trong khối cầu lực hút

Giếng lực hút có thể nặng tới vài mặt trời nhưng các phiên bản ban đầu có thể đạt tới

khối lượng lớn gấp 100 lần khối lượng mặt trời

Trong suốt hàng chục triệu, hàng trăm triệu năm, các nhiều ngôi sao được hình thành từ

mảnh vụn của những ngôi sao đầu tiên Những vùng khí đậmđặc kết hợp lại Các ngôi

sao hình thành nhóm trong đó vài chục ngôi sao có thể bị hút vào các cụm sao khác

Cuối cùng, cụm sao chứa hàng ngàn tinh tú phát triển và trông giống cũng như hoạt

động giống với một vật thể có thể được coi là cận thiên hà Một số có lẽ có chứa những

hố đen đang lớn dần lên ở trung tâm

Tại đây giả thuyết đồng tiến hóa gặp phải trở ngại Trực giác cho rằng rất nhiều các hố

đen tinh tú khổng lồ đơn giản kết hợp với nhau cho đến khi

Roger Blandford – nhà vật lý học thiên thể lý thuyết tại

Caltech cho biết: “Đó là một

câu hỏi đặt đúng lúc đúng chỗ Điều này có thể chỉ là ngẫu nhiên”

Trên thực tế không ai biết chắc chắn liệu một lỗ đen ngoại cỡđầu tiên có phải hìnht

hành từ seri kết hợp từ hàng chục khối lượng tương đương với hệ mặt trời để trở

thành vật thể có khối lượng gấp 200, 1.000 rồi 10.000 lần và

nay để tìm đầu mối lần ra gốc rễ ban đầu

Các hố đen có ở mọi nơi, hàng triệu hố đen loại tinh tú có thểthắp sáng một thiên

hà

Nếu những lỗ đen vĩ đại nhất hình thành từ sự đa dạng khi

đó có thể sẽ có những bằng

chứng nằm đâu đó trong vũ trụ dưới dạng phiên bản hạng trung.

Nằm cách chỉ 300 triệu năm ánh sáng, hai thiên hà đang va chạm

với nhau có biệt danh The Mice sẽ kết hợp thành một thiên hà

khổng lồ Sự kết hợp như thế này có thể tạo ra pha chuẩn tinh

trong quá trình tiến hóa thiên hà (Ảnh:

tranh cãi nhất trong lĩnh vực thiên văn học

Haehnelt cho biết: “Sự tồn tại của các hố đen hạng trung là một trong những câu trả lời

lớn chưa có lời giải đáp trong lĩnh vực này Những phát hiện mới đây vẫn gây nhiều

lớn không trải qua giai đoạn kết hợp ban đầu Một khi khối lượng nhất định đã đạt được,

nó trùng hợp với một giai đoạn trước giai đoạn mà các nhà thiên văn học thấy hiện nay –

một hố đen đã đạt được phần lớn khối lượng bằng cách nuốtkhí từ môi trường

Nếu hai thiên hà kết hợp thì các hố đen của chúng cũng thế

Mô hình máy tính mới đây

đã suy đoán rằng sự kiện này rất mạnh mẽ, giải phóng ánh sáng khủng khiếp do khí bị

trói buộc giữa các hố đen sau đó lao vùn vụt vào hố đen lớn hơn

Sự kết hợp giữa các thiên hà diễn ra hàng triệu năm nên chúng không thể được

quan sát theo cả quá trình

Một quan sát đối với thiên hà gần chúng ta đã cung cấp bằng chứng cho sự kiện này Tại

trung tâm của thiên hà NGC 6240 các nhà thiên văn học đã tìm ra không chỉ một mà là

hai hố đen, nằm cách nhau 3.000 năm ánh sáng và đang tiến tới quá trình kết hợp Đài

quan sát tia X Chandra đã cho thấy NGC 6240 thực tế là hai thiên hà bắt đầu xát nhập từ

cách đây 30 triệu năm trước

Những chỉ dấu khác của những liên kết vĩ đại đến từ những chuẩn tinh nằm gần Richard

Larson, một nhà nghiên cứu tại Yale, người nghiên cứu sự hình thành sao trong trung

tâm thiên hà, cho biết các thiên hà có thể trải qua nhiều giai đoạn chuẩn tinh trong quãng

đời của mình Khi nghiên cứu những chuẩn tinh ở những khoảng cách hợp lý hơn (nghĩa

là không quá xa trong quá khứ), ông quan sát thấy những dấu hiệu của liên kết thiên hà

gần đây hoặc các tương tác quy mô lớn khác

"Tương tác và liên kết là cách tuyệt vời để vứt bỏ một lượng khí đáng kể ở trung tâm

thiên hà," Larson giải thích "Điều đầu tiên lương khí này làm

đó là đột nhiệm hình

thành một số lượng sao lớn" Những vụ nổ hình thành sao tồn tại khoảng 10 triệu đến 20

triệu năm quanh một chuẩn tinh điển hình

Khí không tham gia vào quá trình hình thành sao rơi vào

trong lỗ đen, Giai đoạn tiêu

hủy mãnh liệt này là rất dễ quan sát, vì năng lượng thừa biến khí và bụi thành những

đám mây phát sáng Cuối cùng, hỗn loạn được giải quyết và những sao mới trở nên rõ

ràng Sau đó, chuẩn tinh bị bỏ lại trống trơn Và cuối cùng, nókhông hoạt động nữa