Điều gì thúc đẩy các thiên hà? Dải ngân hà

Vào ngày 12 tháng 5, tại chín cuộc họp báo đồng thời trên khắp thế giới, các nhà vật lý thiên văn đã tiết lộ hình ảnh đầu tiên về lỗ đen ở trung tâm của Dải Ngân hà. Lúc đầu, thật tuyệt vời, hình ảnh được tạo ra một cách cẩn thận về vòng ánh sáng xung quanh hố bóng tối trung tâm của thiên hà chúng ta dường như chỉ đơn thuần chứng minh những gì các chuyên gia đã mong đợi: Hố đen siêu lớn của Dải Ngân hà tồn tại, nó đang quay, và nó tuân theo lời của Albert Einstein thuyết tương đối rộng.

Tuy nhiên, khi kiểm tra kỹ hơn, mọi thứ không hoàn toàn chồng chất lên nhau.

Từ độ sáng của vòng tròn ánh sáng, các nhà nghiên cứu đã ước tính được tốc độ vật chất rơi xuống Sagittarius A * — cái tên được đặt cho lỗ đen trung tâm của Dải Ngân hà. Câu trả lời là: không nhanh chóng chút nào. Priya Natarajan, một nhà vũ trụ học tại Đại học Yale, cho biết: “Nó bị tắc đến một chút nhỏ giọt, so sánh thiên hà với một vòi hoa sen bị vỡ. Bằng cách nào đó, chỉ một phần nghìn vật chất chảy vào Dải Ngân hà từ môi trường giữa các thiên hà xung quanh khiến nó đi xuống và đi vào lỗ. “Đó là một vấn đề lớn,” Natarajan nói. “Khí này sẽ đi đâu? Điều gì đang xảy ra với dòng chảy? Rõ ràng là sự hiểu biết của chúng ta về sự phát triển của lỗ đen là rất đáng nghi ngờ ”.

Trong một phần tư thế kỷ qua, các nhà vật lý thiên văn đã nhận ra mối quan hệ chặt chẽ và năng động tồn tại giữa nhiều thiên hà và các lỗ đen tại trung tâm của chúng. Ramesh Narayan, nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại Đại học Harvard cho biết: “Đã có một sự chuyển đổi thực sự lớn trong lĩnh vực này. “Điều ngạc nhiên là các lỗ đen đóng vai trò quan trọng như những người tạo bóng và điều khiển cách các thiên hà phát triển”.

Những lỗ khổng lồ này – nồng độ vật chất dày đặc đến mức lực hấp dẫn ngăn không cho ánh sáng thoát ra ngoài – giống như động cơ của các thiên hà, nhưng các nhà nghiên cứu mới chỉ bắt đầu hiểu cách chúng hoạt động. Lực hấp dẫn hút bụi và khí vào bên trong trung tâm thiên hà, nơi nó tạo thành một đĩa bồi tụ xoáy xung quanh lỗ đen siêu lớn, nóng lên và biến thành plasma nóng trắng. Sau đó, khi lỗ đen nhấn chìm vật chất này (dưới dạng nhỏ giọt và nhỏ giọt hoặc trong các vụ nổ đột ngột), năng lượng sẽ phụt ra ngoài thiên hà trong một quá trình phản hồi. Eliot Quataert, một nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại Đại học Princeton, cho biết: “Khi bạn phát triển một lỗ đen, bạn đang sản xuất năng lượng và thải nó ra môi trường xung quanh hiệu quả hơn bất kỳ quá trình nào khác mà chúng ta biết trong tự nhiên. Phản hồi này ảnh hưởng đến tốc độ hình thành sao và mô hình dòng khí trong toàn thiên hà.

Nhưng các nhà nghiên cứu chỉ có những ý tưởng mơ hồ về các giai đoạn “hoạt động” của lỗ đen siêu lớn, biến chúng thành cái gọi là hạt nhân thiên hà hoạt động (AGN). “Cơ chế kích hoạt là gì? Công tắc tắt là gì? Đây là những câu hỏi cơ bản mà chúng tôi vẫn đang cố gắng giải quyết, ”Kirsten Hall thuộc Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard-Smithsonian cho biết.

Phản hồi sao, xảy ra khi một ngôi sao phát nổ như một siêu tân tinh, được biết là có tác dụng tương tự như phản hồi AGN ở quy mô nhỏ hơn. Các động cơ sao này dễ dàng đủ lớn để điều chỉnh các thiên hà “lùn” nhỏ, trong khi chỉ có các động cơ khổng lồ của các lỗ đen siêu lớn mới có thể chi phối sự tiến hóa của các thiên hà “hình elip” lớn nhất.

Về kích thước, Dải Ngân hà, một thiên hà xoắn ốc điển hình, nằm ở giữa. Với một vài dấu hiệu hoạt động rõ ràng ở trung tâm của nó, thiên hà của chúng ta từ lâu đã được cho là bị chi phối bởi phản hồi sao. Nhưng một số quan sát gần đây cho thấy rằng phản hồi AGN cũng định hình nó. Bằng cách nghiên cứu chi tiết về sự tác động lẫn nhau giữa các cơ chế phản hồi này trong thiên hà nhà của chúng ta — và vật lộn với các câu đố như độ mờ hiện tại của Sagittarius A * — các nhà vật lý học hy vọng sẽ tìm ra cách các thiên hà và lỗ đen nói chung quay vòng. Dải Ngân hà “đang trở thành phòng thí nghiệm vật lý thiên văn mạnh mẽ nhất,” Natarajan nói. Bằng cách hoạt động như một mô hình thu nhỏ, nó “có thể giữ chìa khóa”.

Động cơ thiên hà

Vào cuối những năm 1990, các nhà thiên văn học thường chấp nhận sự hiện diện của các lỗ đen trong trung tâm các thiên hà. Đến lúc đó, họ có thể nhìn đủ gần những vật thể vô hình này để suy ra khối lượng của chúng từ chuyển động của các ngôi sao xung quanh chúng. Một mối tương quan kỳ lạ xuất hiện: Một thiên hà càng lớn, lỗ đen trung tâm của nó càng nặng. “Điều này đặc biệt chặt chẽ, và nó hoàn toàn mang tính cách mạng. Bằng cách nào đó, lỗ đen đang nói chuyện với thiên hà ”, Tiziana Di Matteo, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Carnegie Mellon, cho biết.

Mối tương quan là đáng ngạc nhiên khi bạn xem xét rằng lỗ đen – lớn bằng nó – chỉ bằng một phần nhỏ so với kích thước của thiên hà. (Ví dụ, Sagittarius A * nặng khoảng 4 triệu mặt trời, trong khi Dải Ngân hà đo khoảng 1,5 nghìn tỷ khối lượng mặt trời.) Do đó, lực hấp dẫn của lỗ đen chỉ kéo theo bất kỳ cường độ nào lên vùng trong cùng của thiên hà.