Các luồng tia lỗ đen tiết lộ các bí mật phản vật chất

Những mô phỏng đầu tiên của các hạt vật chất và phản vật chất xoáy xung quanh một lỗ đen quay gợi ý về nguồn gốc của các luồng tia bí ẩn.

Các nhà khoa học mới có một bước tiến gần hơn để hiểu thêm về động lực học của luồng tia lỗ đen. Nguồn: Kyle Parfrey et al./Phys. Rev. Lett.

Lần đầu tiên, một nhóm các nhà vật lý thiên văn đã tính toán được cách các đơn hạt vật chất và phản vật chất xoay xung quanh một lỗ đen quay như thế nào.

Các mô phỏng trên máy tính này cung cấp cái nhìn mang tính quyết định về cách các lỗ đen bắn ra các luồng tia vật chất với vận tốc gần vận tốc ánh sáng, và kết quả của nhóm nghiên cứu đã góp phần bổ sung cho hai cơ chế đề xuất trước đây về lực của các dòng hạt bí ẩn.

Kỹ thuật mô phỏng mới có thể giúp các nhà vật lý thiên văn giải thích dữ liệu từ các kính viễn vọng sóng radio trên thế giới, vốn đang quan sát lỗ đen siêu khối lượng tại trung tâm của dải Ngân hà.

Các kết quả của nhóm nghiên cứu – mới được xuất bản vào ngày 23/1/2019 “Các mô phỏng plasma về mặt nguyên lý đầu tiên về sự khởi chạy của luồng tia lỗ đen” (First-Principles Plasma Simulations of Black-Hole Jet Launching) trên Phys. Rev. Lett, là một “mốc quan trọng” trong nghiên cứu về lỗ đen, Serguei Komissarov – một nhà vật lý thiên văn tại trường đại học Leeds, Anh.

Các luồng tia vật chất năng lượng cao thường băng qua vũ trụ và dường như được tỏa ra từ nhiều nguồn hết sức đa dạng, dẫu cho các nhà khoa học chưa có bằng chứng trực tiếp về cách chúng hình thành như thế nào. Trong thiên hà của chúng ta, nhiều sao neutron là nguồn tạo ra các luồng tia, cũng như tạo ra một số lỗ đen nhỏ – chúng thường có khối lượng bằng hoặc hơn mặt trời – đây là quá trình hấp thụ vật chất. Và các nhà vật lý thiên văn nghĩ rằng một số lỗ đen siêu khối lượng tại các trung tâm của những thiên hà là kẻ đứng đằng sau những luồng tia đẹp kỳ vĩ trải rộng tới hàng trăm năm ánh sáng, nhiều luồng tia như vậy đã được thấy quanh thiên hà Messier 87.

Các mô phỏng mới tính toán các đơn hạt trong luồng tia. Nguồn: Nature

Trong nhiều trường hợp, và đặc biệt là với các lỗ đen nhỏ, các luồng tia này dường như chứa cả một lớp bụi electron mỏng và các positron – những bản sao phản vật chất của chúng – thoát ra ngoài như plasma với tốc độ cao.

Những mô hình về tính chất lỗ đen hiện nay nêu các cặp hạt – phản hạt đã sản xuất ra điện trường và từ trường rất lớn bên trong, và cuộn xoắn ở gần chân trời sự kiện của một lỗ đen – không gì có thể thoát khỏi lỗ đen khi băng qua bề mặt hình cầu này. Phần lớn những hạt vật chất đều rơi vào bên trong lỗ đen.

Các luồng tia hình thành gần các cực từ của lỗ đen, nơi các dải từ trường xoắn hỗn loạn bắn ra ngoài không gian liên sao. Theo giải thích của các nhà vật lý thiên văn, các trường này có thể mang ra ngoài một số năng lượng và moment quay của lỗ đen, cũng như tạp ra nhiều electron và positron.

Trong quá khứ, các mô phỏng 3D của động lực học lỗ đen đã mô hình hóa được plasma vốn tạo ra các electron và các positron như một thể liên tục. Nhưng trong nghiên cứu này, Parfrey và cộng sự đã đưa cả các đơn hạt vào mô phỏng của mình và xem cách chuyển động của chúng quấn và tạo ra năng lượng, từ trường, điện trường như thế nào.

Kết quả cho thấy dòng điện chảy rối của các positron và electron vừa chuyển động về hướng ngược lại với nhau, vừa xoáy trong một đĩa quanh đường xích đạo của lỗ đen. Các dòng điện này là nguyên nhân khiến năng lượng bắn ra ngoài các vùng cực.

“Điều quan trọng nhất về các luồng tia này là về tổng thể không chỉ là plasma mà còn có rất nhiều năng lượng thoát ra khỏi điện từ trường”, Kyle Parfrey – một nhà vật lý thiên văn tại Trung tâm Bay không gian Goddard NASA tại Greenbelt, Maryland và là đồng tác giả nghiên cứu – nói. “Chúng tôi thấy điều đó xảy ra.”

Hiệu ứng này đã được các nhà vật lý thiên văn Roger Blandford and Roman Znayek dự đoán vào những năm 1970. Họ đã đề xuất một cơ chế giải thích cách các luồng tia có thể hút năng lượng khỏi spin của lỗ đen và cách nó góp phần làm spin chậm lại (Lý thuyết của Einstein làm cân bằng năng lượng với khối lượng; spin của một lỗ đen chậm lại thì nó sẽ trở nên nhẹ hơn).

Nghiên cứu này đã hỗ trợ cho cơ chế thứ hai giải thích cách năng lượng bị chiết xuất khỏi một lỗ đen quay – một cơ chế do nhà vật lý toán người Anh Roger Penrose đề xuất lần đầu tiên vào những năm 1960. Theo mô hình của Penrose, một số hạt được tạo ra gần đường xích đạo lỗ đen có năng lượng âm – vì vậy khi chúng rơi vào lỗ đen này, chúng làm chậm chuyển động quay của nó. Hiệu ứng mang tính giả thuyết này được được gợi lại trong “bức xạ Hawking” do Stephen Hawking đề xuất, trong đó các hạt mang năng lượng âm góp phần làm co ngót khối lượng của một lỗ đen.

Các mô phỏng mới vẫn còn cần được hoàn thiện, Parfrey nói. Đặc biệt, họ không đưa cách các hạt và phản hạt được tạo ra như thế nào hay đĩa– dòng chảy vật liệu quanh lỗ đen – được bồi đắp thông qua lực của các trường điện từ trong vị trí đầu tiên. Một lỗ đen sau khi cô lập vật chất sẽ tiêu tán các trường này và chuyển nó sang trạng thái tối câm lặng với những luồng tia phi plasma bắn ra.

Đồng tác giả Benoît Cerutti của trường đại học Grenoble Alpes tại Pháp cho biết Kính viễn vọng chân trời sự kiện – một mạng lưới ăng ten radio mở rộng trên toàn cầu đã đưa ra những kết quả đầu tiên trong năm nay, có thể đem lại một số chi tiết thú vị về cách plasma chuyển động quanh lỗ đen siêu khối lượng tại trung tâm của dải Ngân hà cũng như một lỗ đen siêu khối lượng khác lại trung tâm Messier 87. “Hy vọng của tôi là chúng tôi sẽ sớm quan sát được những mối liên hệ ở các luồng tia lỗ đen nhiều hơn nữa,” Cerutti nói.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-00347-y