Lỗ đen/Hố đen là một vùng không gian có trọng lực mạnh đến mức không hạt năng lượng hoặc ánh sáng nào có thể thoát khỏi nó.
Và ở ngay trung tâm thiên hà của chúng ta (tên là Dải Ngân hà) có một lỗ đen siêu lớn tên là Sagittarius A*. 'Quái vật vũ trụ' này có khối lượng gấp khoảng 4 triệu lần so với Mặt Trời của chúng ta.
Bao quanh lỗ đen siêu lớn Sagittarius A* (viết tắt là Sgr A *) là một cụm sao dày đặc. Các phép đo chính xác quỹ đạo của những ngôi sao này cho phép các nhà thiên văn xác nhận sự tồn tại của lỗ đen siêu lớn này cũng như khối lượng của nó.
Trong hơn 20 năm, nhóm của Phó giáo sư Vật lý và Thiên văn học Mỹ Smadar Naoz đã theo dõi quỹ đạo của những ngôi sao này xung quanh lỗ đen siêu lớn của trung tâm Dải Ngân hà. Dựa trên những gì giới nghiên cứu đã thấy, họ cho rằng, khả năng Sgr A * không cô đơn, nó có một người bạn nữa là lỗ đen khổng lồ, có khối lượng ít nhất gấp 100.000 lần khối lượng Mặt Trời.
Hầu như mọi thiên hà, bao gồm cả Dải Ngân hà của chúng ta, đều tồn tại một lỗ đen siêu lớn, với khối lượng gấp từ hàng triệu đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt trời.
Cho đến nay, các nhà thiên văn học vẫn đang nghiên cứu tại sao trung tâm của các thiên hà lại chứa một lỗ đen siêu lớn.
Một trong những lý thuyết phổ biến nhất để giải thích cho điều này là những lỗ đen siêu lớn có 'đồng minh'.
Hầu như mọi thiên hà, bao gồm cả Dải Ngân hà của chúng ta, đều tồn tại một lỗ đen siêu lớn. Nguồn: Cdnoticias
Để hiểu ý tưởng này, chúng ta cần quay trở lại khi Vũ trụ khoảng 100 triệu năm tuổi, ở thời đại của những thiên hà thủa sơ khai. Các thiên hà khi đó nhỏ hơn nhiều so với các thiên hà ngày nay, thậm chí, nhỏ hơn khoảng 10.000 lần hoặc nhiều hơn so với Dải Ngân hà.
Trong những thiên hà đầu tiên này, những ngôi sao đầu tiên đã chết tạo ra các lỗ đen, có khối lượng gấp khoảng hàng chục đến hàng nghìn Mặt Trời.
Những lỗ đen này 'chìm' xuống vùng trung tâm thiên hà chủ của chúng. Theo thời gian, các thiên hà phát triển bằng cách hợp nhất và va chạm với nhau, việc va chạm giữa các thiên hà sẽ dẫn đến các cặp lỗ đen siêu lớn - Đây chính là mấu chốt của vấn đề.
Các lỗ đen của các thiên hà chủ sau đó va chạm và phát triển dần kích thước nhờ quá trình di chuyển và 'ăn' vật chất trong vũ trụ. Một lỗ đen lớn hơn 1 triệu lần khối lượng của Mặt Trời chúng ta sẽ được xem là lố đen siêu lớn.
Nếu thực sự lỗ đen siêu lớn có một 'đồng minh' xoay quanh nó theo quỹ đạo gần (Lỗ đen nhị phân - BBH), thì vùng trung tâm của thiên hà sẽ bị làm xáo trộn bởi lực hấp dẫn của cặp lỗ đen này, khiến quỹ đạo của các ngôi sao gần đó bị ảnh hưởng nặng nề, giới khoa học lo lắng.
Hình minh họa về lỗ đen nhị phân - BBH. Nguồn: Jet Propulsion Laboratory/NASA
Không những thế, khi hai lỗ đen siêu lớn quay quanh nhau, đồng thời, mỗi lỗ đen sẽ tạo ra những lực hút khủng khiếp lên các ngôi sao xung quanh nó. Nói cách khác, lỗ đen nhị phân (2 lỗ đen quay quanh nhau) sẽ khiến cho quỹ đạo một ngôi sao không thể quay lại chính xác điểm mà nó bắt đầu.
Vận dụng sự hiểu biết của chúng ta về sự tương tác hấp dẫn khổng lồ giữa cặp lỗ đen siêu lớn và các ngôi sao xung quanh, các nhà thiên văn học có thể dự đoán điều gì sẽ xảy ra với các ngôi sao.
Sử dụng dữ liệu về một ngôi sao được nghiên cứu kỹ lưỡng, có tên là S0-2, quay quanh lỗ đen siêu lớn nằm ở trung tâm của Dải Ngân hà cứ sau 16 năm, các nhà khoa học đang đứng trước hai khả năng:
- Loại trừ khả năng rằng có một lỗ đen siêu lớn thứ hai có khối lượng lớn gấp 100.000 lần khối lượng của Mặt Trời và cách chúng ta 1 khoảnh cách gấp 200 lần khoảng cách giữa Mặt Trời và Trái Đất.
Nếu lỗ đen siêu lớn của Dải Ngân hà có 'đồng minh' như vậy thì các nhà khoa học đã phát hiện ra lực hấp dẫn của chúng tác động trên quỹ đạo của ngôi sao SO-2.
- Nhưng điều đó không có nghĩa là một lỗ đen đồng hành nhỏ hơn không tồn tại bí ẩn đâu đó trong trung tâm Dải Ngân hà. Một vật thể như vậy có thể không làm thay đổi quỹ đạo của SO-2 theo cách chúng ta có thể dễ dàng đo được.
Lỗ đen siêu lớn đã nhận được rất nhiều sự chú ý gần đây của giới thiên văn học toàn thế giới.
Cụ thể, công trình bức ảnh chụp lỗ đen đầu tiên trên thế giới do tập thể các nhà khoa học thuộc dự án Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) công bố hồi tháng 4/2019 về lỗ đen siêu lớn tại trung tâm thiên hà khồng lồ Messier 87 (cách Hệ Mặt Trời 53 triệu năm ánh sáng) đã mở ra chân trời mới để các nhà thiên văn học nghiên cứu tính chất vật lý đằng sau các lỗ đen.
Việc lỗ đen siêu lớn Sagittarius A* nằm ngay tại trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta; cộng với việc Thái Dương Hệ chỉ cách trung tâm Dải Ngân hà 24.000 năm ánh sáng đã tạo điều kiện thuận lợi hơn cho các nhà nghiên cứu vũ trụ trong hành trình tìm hiểu các vấn đề vật lý cơ bản của các lỗ đen siêu lớn.
Nhiệm vụ khó khăn và trước tiên của các nhà vật lý thiên văn là muốn hiểu tác động của các lỗ đen siêu lớn lên các khu vực trung tâm của các thiên hà; và vai trò của chúng trong sự hình thành và tiến hóa của thiên hà.
Việc phát hiện một cặp lỗ đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà sẽ chỉ ra rằng Dải Ngân hà đã hợp nhất với một thiên hà khác, có thể là nhỏ, tại một thời điểm trong quá khứ.
Các phép đo của ngôi sao S0-2 cho phép các nhà khoa học thực hiện một thử nghiệm độc đáo về Thuyết Tương đối rộng của Einstein.
Vào tháng 5/2018, S0-2 đã được phóng to ở khoảng cách khoảng 130 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời. Theo lý thuyết của Einstein, bước sóng ánh sáng phát ra từ ngôi sao S0-2 sẽ kéo dài từ hố hấp dẫn của lỗ đen siêu lớn.
Hình ảnh vị trí của sao S0-2 và hố đen siêu lớn Sgr A * ở trung tâm Dải Ngân hà. Nguồn: M. R. Morris University of California, Los Angeles | UCLA · Department of Physics and Astronomy.
Bước sóng kéo dài mà Einstein dự đoán - làm cho ngôi sao có vẻ đỏ hơn - đã được phát hiện và chứng minh rằng Thuyết Tương đối rộng mô tả chính xác vật lý trong vùng hấp dẫn khổng lồ này.
Các nhà vật lý thiên văn háo hức chờ đợi cách tiếp cận gần nhất thứ hai của ngôi sao S0-2, sẽ xảy ra trong khoảng 16 năm nữa, để họ có cơ hội kiểm tra thêm các dự đoán của Einstein trong Thuyết Tương đối rộng, bao gồm cả sự thay đổi hướng của quỹ đạo kéo dài của các ngôi sao.
Nhưng nếu lỗ đen siêu lớn có 'bạn đồng hành', điều này có thể làm thay đổi kết quả mong đợi.
Cuối cùng, nếu có hai lỗ đen khổng lồ quay quanh nhau tại trung tâm thiên hà (BBH), chúng sẽ phát ra sóng hấp dẫn.
Kể từ năm 2015, các đài quan sát LIGO-Virgo đã phát hiện ra bức xạ sóng hấp dẫn từ việc hợp nhất các lỗ đen sao và sao neutron.
Những phát hiện đột phá này đã mở ra một cách mới cho các nhà khoa học tìm hiểu thêm về Vũ trụ.
Bất kỳ sóng nào phát ra từ cặp lỗ đen giả định của chúng tôi sẽ ở tần số thấp, quá thấp để các máy dò LIGO-Virgo cảm nhận được. Nhưng một máy dò không gian là LISA có thể có thể phát hiện những sóng này, từ đó giúp các nhà vật lý thiên văn giải mã câu hỏi lớn: Lỗ đen siêu lớn trong trung tâm Dải Ngân hà tồn tại một mình hay có 'bạn đồng hành'? Và liệu chúng có hợp nhất với nhau để tạo thành một siêu hố đen khổng lồ ở trung tâm thiên hà của chúng ta?
Chuyển dịch từ công trình của Smadar Naoz, Phó Giáo sư Vật lý & Thiên văn học, Đại học California, Los Angeles, Mỹ.
Bài viết được đăng trên The Conversation.
Bài viết sử dụng nguồn: Sciencealert, The Conversation
* Đọc bài cùng tác giả Trang Ly tại đây.