Hố đen siêu khối lượng: Thánh Gióng của dải Ngân hà

Hố đen siêu khối lượng là một loại hố đen nặng và khổng lồ, thường được tìm thấy ở trung tâm các thiên hà có kích thước lớn. Tính đến tháng 6/2022, dự án toàn cầu mang tên Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (Event Horizon Telescope, hay EHT) đã chụp được trực tiếp hai bức ảnh hố đen siêu khối lượng ở trung tâm của hai thiên hà là M87 và dải Ngân hà chúng ta. Trong đó, bức ảnh mới đây chụp hố đen Nhân Mã A* (Sagittarius A*; “A*” đọc là “A sao”) của dải Ngân hà đã làm say đắm cả các nhà thiên văn học lẫn công chúng nói chung, bởi thật khó mà tưởng tượng nổi một vật thể khổng lồ có khả năng hút và bẻ cong ánh sáng như vậy lại ở ngay trung tâm của thiên hà quê chúng ta. Trong bài viết này, hãy cùng tìm hiểu thêm về hố đen siêu khối lượng bằng cách dùng ba tiêu chí khác nhau để so sánh loại thiên thể này với Thánh Gióng và chứng minh rằng: “hố đen siêu khối lượng là Thánh Gióng ở cấp độ thiên hà”.

Đồ họa: Nguyễn Bình.

Tiêu chí 1: Cả hai đều lớn nhanh như thổi

Như đã đề cập đến ở phần mở đầu, hầu hết các thiên hà có kích thước lớn đều chứa hố đen siêu khối lượng ở trung tâm. Phải nói cụ thể là “thiên hà có kích thước lớn” bởi các thiên hà lùn (dwarf galaxy) mà chúng ta biết đến ngày nay hoặc là không có hố đen ở trung tâm, hoặc là có nhưng chưa đạt tới mức “siêu khối lượng”. Lý do khiến cho các hố đen siêu khối lượng đặc biệt đến mức cần một cuộc thảo luận riêng là bởi chúng quá nặng. Nặng đến nỗi không chỉ đơn thuần là chào đời từ sự sụp lõi của một ngôi sao, mà nó còn đòi hỏi các quá trình phức tạp hơn thế. Không những vậy, chúng thường nằm ở trung tâm của các thiên hà chứ không nằm ở trong các cánh tay xoắn ốc như các hố đen nhỏ hơn. Do đó, hố đen siêu khối lượng là loại hố đen để lại ảnh hưởng trọng lực mạnh mẽ và dễ quan sát nhất.

Đến nay, các nhà thiên văn học mới chỉ biết được một phần về sự chào đời và tiến hóa của các hố đen siêu khối lượng. Vì một hố đen siêu khối lượng quá nặng, chúng ta không thể nào quy chụp toàn bộ khối lượng của nó cho một ngôi sao sụp sõi, mà cần phải tính đến việc hố đen này đã nuốt chửng vật chất quanh nó và lớn lên. Bất kể nguồn gốc thế nào, một hố đen siêu khối lượng đều bắt đầu dưới dạng “mầm hố đen” (seed black hole), rồi sau đó lớn lên bằng cách hút vật chất quanh nó. Việc hố đen siêu khối lượng tồn tại ở trung tâm thiên hà có thể đã giúp chúng ăn uống thuận lợi hơn: theo chiều dài lịch sử vũ trụ, các thiên hà trải qua quá trình “ma sát động lực” (dynamical friction) khiến cho vật chất có xu hướng rơi về phía trung tâm. Do đó, một mầm hố đen siêu khối lượng đã tồn tại sẵn ở trung tâm sẽ chẳng cần phải di chuyển theo một quỹ đạo nào để kiếm ăn; nó chỉ cần ngồi yên đó và ngấu nghiến đủ các loại khí, sao và vật chất tối rơi về phía mình. Một người quen với sự tích Thánh Gióng có thể liên tưởng ngay tới việc Thánh Gióng lớn lên hoàn toàn nhờ vào công cuộc góp gạo của cả làng.

Và tương tự như Thánh Gióng, mầm hố đen siêu khối lượng lớn lên chỉ trong chốc lát. Chúng chào đời và phát triển ngay ở khoảng vài trăm triệu năm đầu tiên của lịch sử vũ trụ, tương đương với khoảng 5% tuổi vũ trụ ngày nay. Ví dụ, vào đầu năm 2021, nhóm của Vương Phi Cách (Wang Feige) tại Đại học Arizona, Mỹ đã tìm thấy hố đen siêu khối lượng J0313–1806 có tuổi đời già nhất vũ trụ, hình thành chỉ 670 triệu năm sau Vụ nổ Lớn, và nặng gấp 1.6 tỉ lần Mặt trời. Một số hố đen siêu khối lượng trẻ hơn cũng hình thành trong khoảng 700 đến 800 triệu năm sau Vụ nổ Lớn, và cũng đã đạt tới khối lượng ngày nay trong khoảng thời gian đó. Điều này có nghĩa là các mầm hố đen siêu khối lượng không những tồn tại rất sớm, mà còn lớn lên ở tốc độ đáng kinh ngạc so với các hiện tượng thường thấy ở cấp độ thiên hà. Chính trong bài nghiên cứu của họ, nhóm Vương Phi Cách cũng thể hiện sự quan ngại, bởi thiên văn học sẽ cần thêm rất nhiều bằng chứng và lý thuyết để giải thích được tốc độ lớn lên bất thường như thế.

Bên trái là hố đen của M87, bên phải là Nhân Mã A*. Ảnh: EHT Collaboration

Đến nay, các nhà thiên văn học vẫn chưa ngã ngũ về tác nhân khiến cho hố đen siêu khối lượng “lớn nhanh như thổi”. Giả thuyết nhận được nhiều sự ủng hộ nhất thì cho rằng hố đen siêu khối lượng có thể đã có lợi thế ngay từ xuất phát điểm; nói cách khác, thứ sụp xuống thành mầm hố đen siêu khối lượng vốn dĩ đã nặng rồi. Chẳng hạn, nhóm nghiên cứu của Takashi J. Moriya thì cho rằng các mầm hố đen siêu khối lượng đến từ những ngôi sao cực nặng đầu tiên trong lịch sử vũ trụ. Nhóm nghiên cứu của Mitchell C. Begelman cho rằng nguyên nhân là do các đám mây khí từ thuở hồng hoang; theo họ, các đám mây này tự sụp thành hố đen mà không cần một ngôi sao làm trung gian. Vào năm 2021, ba nhà thiên văn học Phùng Duy Tường, Dư Hải Ba và Chung Ích Minh (Feng Weixiang, Yu Haibo & Zhong Yiming) ở trường Đại học UC Riverside thì lại đưa ra ý tưởng rằng có thể hố đen siêu khối lượng không bắt nguồn từ sao, mà đến từ quầng vật chất tối (dark matter halo). Theo lý thuyết kiến tạo thiên hà ngày nay, các thiên hà đều hình thành và tồn tại trong quầng vật chất tối. Nhóm Phùng Duy Tường cho rằng thay vì tiếp tục tồn tại một cách song song với sao và khí của thiên hà, phần lõi của một số quầng vật chất tối có thể đã mất trạng thái cân bằng khi vật chất tối có tương tác trọng lực với chính mình, khiến cho phần lõi ấy sụp thành mầm hố đen. Giả thuyết của nhóm Phùng Duy Tường khác hai giả thuyết đã nêu ở đằng trước ở chỗ nhóm Phùng Duy Tường đổ cho lõi của quầng vật chất tối, thứ chỉ có thể tồn tại ở trung tâm thiên hà, trong khi hai nhóm còn lại đổ cho sao và khí, những loại vật chất có thể được tìm thấy ở bất cứ đâu trong một thiên hà. Tuy nhiên, không thể từ đó mà kết luận được rằng giả thuyết của nhóm Phùng Duy Tường là hợp lý nhất, bởi chúng ta vẫn còn thiếu bằng chứng quan sát cho cả ba giả thuyết nêu trên. Trừ khi các nhà thiên văn học quan sát được một mầm hố đen siêu khối lượng đang trong quá trình hình thành, thật khó để lật lại hàng trăm triệu năm lịch sử vũ trụ để minh giải được nguồn gốc của các vật thể như thế.

Tiêu chí 2: Cả hai đều dập tắt bạo lực

Theo Kho tàng truyện cổ tích Việt Nam của Nguyễn Đổng Chi, Thánh Gióng đã đứng lên đánh đuổi và dập tắt bạo lực của giặc Ân khi đám giặc này xâm lược và đốt phá nhà cửa của người Việt. Có thể ở quy mô vũ trụ, các khái niệm “giặc ngoại xâm” hay “dân tộc” không tồn tại, song trong quá trình kiến tạo thiên hà, hố đen siêu khối lượng cũng có vai trò dập tắt “bạo lực” tương đồng với Thánh Gióng.

Một phần thiết bị đo sóng hấp dẫn của dự án LIGO tại Louisiana. Ảnh: Caltech/MIT/LIGO Lab

Trước hết, chúng ta biết rằng để một thiên hà lớn lên, nó phải sản sinh ra rất nhiều sao. Quá trình này bắt nguồn trong các đám mây phân tử khí, nơi các khối khí dần dần có đủ trọng lực và độ dày đặc để châm ngòi cho những phản ứng tổng hợp hạt nhân bạo lực, tạo thành hàng triệu ngôi sao cùng một lúc. Một điều kiện tiên quyết để sự kiện bạo lực đó xảy ra là các đám mây phân tử khí phải cực kì lạnh, để từ đó một số vùng bên trong chúng tích tụ thành khối. Tuy nhiên, ở vùng trung tâm của các thiên hà có chứa hố đen siêu khối lượng, việc giữ khí ở nhiệt độ thấp là điều bất khả thi, bởi loại hố đen này vừa hút mất vật chất cần thiết để hình thành sao, vừa “trả lại” rất nhiều năng lượng, hoặc dưới dạng các hạt photon, hoặc các luồng hạt có điện tích sáng nhất ở vùng sóng radio. Theo tính toán từ năm 2009 bởi nhóm nghiên cứu của Andrea Cattaneo, chỉ 1% năng lượng được hố đen siêu khối lượng giải phóng cũng đủ mạnh để hâm nóng và thổi bay chỗ khí xung quanh nó. Điều này cản trở cả nhiệt độ lạnh lẫn mật độ phân tử dày đặc ở các đám mây khí, dẫn đến bằng chứng quan sát là vùng trung tâm của các thiên hà có chứa hố đen siêu khối lượng thường không có bóng dáng quá trình hình thành sao.

Song điều cần lưu ý là một khu vực thiếu dấu hiệu hình thành sao không có nghĩa là khu vực ấy không có sao. Trên thực tế, cách hố đen Nhân Mã A* chỉ 970 lần khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất, có một ngôi sao tên là S2, nổi tiếng sau khi được Reinhard Genzel và Andrea Ghez (hai trong ba người được nhận giải Nobel Vật lý 2020) sử dụng để ước tính khối lượng của Nhân Mã A*. Trong một nghiên cứu riêng biệt vào năm 2003, Andrea Ghez ghi nhận quang phổ của S2 và qua đó ước tính được rằng ngôi sao này nặng khoảng 15 lần Mặt trời và có tuổi đời chưa bằng 0.001 lần tuổi Mặt trời. Đây rõ ràng là một nghịch lý: làm sao một ngôi sao vừa nhỏ, vừa trẻ như vậy lại có thể hình thành được ở một vùng nổi tiếng là không cho phép hình thành sao? Theo Ghez, đây thực chất không phải là một ngôi sao trẻ, mà là lõi của các ngôi sao già đã chết “cải trang” làm một sao trẻ. Cụ thể hơn, có thể đã có các ngôi sao hình thành xung quanh trung tâm dải Ngân hà trước khi Nhân Mã A* dập tắt hết quá trình hình thành sao tại đó, và theo thời gian, các ngôi sao cũ chết đi, để lại lõi trơ, và những lõi này va chạm với nhau, tạo thành một ngôi sao có quang phổ của một ngôi sao mới nhưng thực chất có tuổi đời nhiều hơn thế. Một giả thuyết khác lại cho rằng S2 và một số ngôi sao lân cận có thể đã hình thành ở rất xa bên ngoài, song bằng cách nào đó chịu ảnh hưởng trọng lực của Nhân Mã A* mạnh tới mức bị hút vào quỹ đạo gần hố đen này. Dù theo cách giải thích nào về vị trí của S2, dường như các nhà thiên văn học đều đồng thuận rằng một ngôi sao trẻ như vậy không thể sinh ra và tồn tại theo cách thông thường ở gần Nhân Mã A* đến thế, bởi các hố đen siêu khối lượng đều đã dập tắt quá trình hình thành sao bạo lực xung quanh nó, tương tự như Thánh Gióng dẹp cuộc binh lửa của giặc Ân trong các truyền thuyết dân gian.

Tiêu chí 3: Cả hai đều để lại tiếng vang

Nếu như hình tượng Thánh Gióng đã trường tồn trong văn hóa dân gian Việt Nam đến tận ngày nay thì ở cấp độ thiên hà, các hố đen cũng để lại “tiếng vang” theo suốt không gian và thời gian theo một cách tương tự, thông qua sự lan truyền sóng hấp dẫn (gravitational wave).

Chúng ta biết rằng bất chấp sự giãn nở của vũ trụ, độ mạnh của trọng lực vẫn cho phép các thiên hà đến gần với nhau và nếu đủ gần thì hợp nhất thành một thiên hà lớn hơn. Một ví dụ điển hình là dải Ngân hà và thiên hà Andromeda hàng xóm của chúng ta: hai thiên hà xoáy ốc khổng lồ này đều đang tiến về phía nhau ở tốc độ trung bình là 110km/s và dự tính sẽ hợp vào làm một trong 4.5 tỉ năm nữa. Do khoảng cách giữa các thiên thể trong mỗi thiên hà vốn dĩ đã lớn, khi hai thiên hà bất kỳ (không chỉ mình dải Ngân Hà hay Andromeda) hợp lại với nhau, cuộc hợp nhất sẽ không diễn ra một cách bạo lực như là tiểu hành tinh Chicxulub lao xuống Trái đất, mà thay vào đó, vật chất của hai thiên hà sẽ từ từ lấp đầy hoặc tạo ra các khoảng trống mới. Dưới ảnh hưởng của ma sát động lực như đã miêu tả ở phần trước, một khi thiên hà mới được sinh ra sau cuộc hợp nhất, tất cả các loại vật chất sẽ từ từ rơi về phía trung tâm của thiên hà mới, bao gồm cả hai hố đen siêu khối lượng vốn nằm ở trung tâm hai thiên hà ban đầu. Theo nghiên cứu xuất bản năm 2018 của nhóm tác giả Taeho Ryu, trước tiên hai hố đen này sẽ tạo thành một hệ đôi (binary system), trong đó cả hai hố đen cùng xoay quanh một khối tâm (center of mass) tưởng tượng. Tiếp sau đó, tương tác trọng lực với các ngôi sao lân cận đẩy hai hố đen đến gần nhau hơn cho đến khi hai hố đen hợp nhất.

Luồng hạt tích điện phóng ra từ hố đen của thiên hà M87, chụp bởi kính Hubble. Ảnh: NASA/STScI/AURA

Ngay từ khi hai hố đen bắt đầu xoay quanh khối tâm tưởng tượng, sự nặng trĩu của chúng cũng đã đủ để tạo gợn sóng nhấp nhô trên cấu trúc không-thời gian. Những gợn sóng này được gọi là sóng hấp dẫn (gravitational wave), và chúng đạt đỉnh điểm vào khoảnh khắc hai hố đen hợp vào làm một. Ngày 14/9/2015, sóng hấp dẫn đã được đo đạc trực tiếp bởi thiết bị của dự án LIGO đặt tại hai tiểu bang Washington và Louisiana ở Mỹ, song sóng hấp dẫn này đến từ hai hố đen có khối lượng chỉ bằng 29 và 36 lần Mặt trời – quá nhẹ để thuộc loại hố đen siêu khối lượng. Tính đến tháng 6/2022, các nhà thiên văn học vẫn chưa đo được bất kỳ một tín hiệu sóng hấp dẫn nào đến từ hai hố đen siêu khối lượng hợp vào làm một, chủ yếu là bởi sóng hấp dẫn từ một sự kiện như vậy có tần số thấp hơn nhiều so với mức mà các thiết bị của LIGO có thể đo được trực tiếp. Những người đam mê sóng hấp dẫn và hố đen siêu khối lượng buộc phải tìm các cách đo gián tiếp, hoặc không thì đành đặt niềm hy vọng vào dự án LISA, trong đó ba tàu vũ trụ riêng biệt sẽ được phóng vào năm 2037 và xếp thành một hệ thống có hình tam giác đều bay quanh Mặt trời để dò tìm tín hiệu sóng hấp dẫn từ các thiên hà xa xăm.

Tổng kết

Nói tóm lại, thông qua các tiêu chí so sánh lạ lùng với Thánh Gióng, chúng ta đã phần nào “giải ảo” được sự tồn tại của các hố đen siêu khối lượng – loại hố đen duy nhất mà con người chụp ảnh được tính đến thời điểm này. Từ quá trình hình thành cho đến hành vi và cái kết dự tính sẽ khiến cho toàn bộ không-thời gian dao động, các hố đen siêu khối lượng là những thiên thể tưởng chừng như thật kỳ quái, song chúng hứa hẹn sẽ cho ta hiểu được thêm về không chỉ hố đen nói chung mà cả cách các thiên hà vận hành từ thuở sơ khai của vũ trụ. Bức ảnh chụp hố đen Nhân Mã A* vừa rồi của dự án Kính thiên văn Chân trời Sự kiện báo hiệu một bước ngoặt cho chuyên ngành nghiên cứu hố đen siêu khối lượng; nó cho thấy rằng con người hoàn toàn có khả năng khám phá và tìm hiểu những vật thể khổng lồ trong vũ trụ bao la nếu chúng ta biết hợp lực trong cuộc khám phá ấy. Và có lẽ, đó cũng chính là điểm tương đồng cuối cùng giữa hố đen siêu khối lượng và Thánh Gióng: tính phi thường của cả hai đều truyền cảm hứng cho mọi người đoàn kết vì một lý tưởng chung, cho dù đó là chống giặc ngoại xâm trong thời chiến, hay là vươn ra khỏi cõi người nhỏ bé trong thời bình.□

Begelman, M.C., Volonteri, M. and Rees, M.J. (2006), “Formation of Supermassive Black Holes by Direct Collapse in Pregalactic Halos”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 370(1), pp. 289-298.

Cattaneo, A. et al (2009), “The role of black holes in galaxy formation and evolution”, Nature 460(7252), pp. 213-219.

Feng, W.X., Yu, H.B. and Zhong Y.M. (2021), “Seeding Supermassive Black Holes with Self-interacting Dark Matter: A Unified Scenario with Baryons”, The Astrophysical Journal Letters 914(2), L26.

Ghez, A.M. et al (2003), “I. The first measurement of spectral lines in a short-period star bound to the Galaxy’s central black hole: A paradox of youth”, Astrophysical Journal 586, L127-L131.

Moriya, T.J. et al. (2021), “Observational properties of a general relativistic instability supernova from a primordial supermassive star”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 503(1), pp. 1206-1213.

Tác giả