Những tia năng lượng từ lỗ đen

Một cách nghịch lý, các lỗ đen – những vật thể kì bí của vũ trụ, thường nuốt ánh sáng và vật chất nhưng lại phun ra ánh sáng và vật chất với sức mạnh vô song. Lần đầu tiên các nhà vật lý giải thích được hiện tượng này.

Hiện tượng lỗ đen phóng các chùm tia được ghi đo tại trung tâm thiên hà M87, ánh sáng phun ra bị phân cực mạnh (polarized) (xem hình 1).

Những lỗ đen siêu nặng phun ra những tia năng lượng (plasma nóng), truyền năng lượng vào những chùm tia mỏng này khiến chúng kéo dài hàng ngàn năm ánh sáng xuyên qua vũ trụ. Điều này có vẻ kì lạ, khác xa với những hành xử thông thường của lỗ đen: do lực hấp dẫn của chúng rất lớn nên chúng “bẫy” được cả ánh sáng, như thể bao trùm lên đó tấm áo tàng hình. Việc tại sao các tia vẫn có thể thoát ra khỏi rìa của nhiều lỗ đen là điều rất khó hiểu. Một trong những bí ấn lớn nhất của vũ trụ là các lỗ đen phóng các chùm tia như thế nào, Sara Issaoun (Đại học Radboud) đã phát biểu như vậy.

Hai mô hình cho tia lỗ đen (jet)

Từ trước đến nay, người ta thường dùng hai mô hình để miêu tả hiện tượng này. Đó là MAD (magnetically arrested disks – đĩa từ dừng) và SANE (stable and normal evolution-tiến triển ổn định và bình thường). 

Các dữ liệu hiện tại nghiêng về mô hình MAD. Alexander Chen, nhà thiên văn lý thuyết Đại học Colorado, M, đã phát biểu như vậy.

Chúng ta biết rằng, tại trung tâm mỗi thiên hà đều có một lỗ đen siêu nặng. Khối lượng của những siêu lỗ đen này gấp cả triệu đến tỷ lần khối lượng mặt trời, do đó những tia chúng phun ra đêu mang năng lượng cực lớn. Đây là một quá trình với năng lượng lớn nhất trong vũ trụ mà các nhà vật lý biết được.

Theo quy luật, với hấp dẫn cực lớn, các lỗ đen tại tâm các thiên hà thường cuốn hút nhiều vật chất. Các dòng khí cũng bị cuốn hút vào lỗ đen, chúng quay quanh lỗ đen và tạo nên một đĩa bồi (accreation disk). Các lực hấp dẫn và ma sát khiến cái đĩa khí này bị nóng lên đến mức nguyên tử mất electron và trở thành một plasma mang từ trường.

Từ trường trong chuyển động tạo nên một voltage và làm cho một dòng chảy các electron và positron sẽ bắt đầu bị phun thành hai tia ra khỏi lỗ đen theo hai hướng. Đó chính là các tia năng lượng mà chúng ta đang nói đến (Blandford &Znajek).

Có một cách thứ hai là dùng mô hình SANE, với từ trường yếu hơn và xoáy trong đĩa bồi, để mô tả các chùm tia lỗ đen.

Trên hình 2 ta có nội vùng lỗ đen. Một lỗ đen quay, hút vật chất và tạo nên đĩa bồi gồm các hạt mang điện tích. Điều này tạo nên những từ trường xoắn (twisted) làm gia tốc các hạt thành hai tia (jet).
 

Mô hình nào phù hợp để mô tả tia lỗ đen?

Ở đây, chúng ta có thể nhắc đến nhóm hợp tác Kính thiên văn chân trời sự kiện (EHT), những người đã chụp được ảnh lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà M87 vào ngày 10/4/2019 – một cấu trúc hình tròn sáng với một vùng đen ở trung tâm, hay bóng của lỗ đen (lỗ đen này có kích thước tương đương với cả hệ mặt trời của chúng ta). Kể từ đó, nhóm EHT đã tìm kiếm sâu hơn vào dữ liệu về vật thể siêu khối lượng được thu thập kể từ năm 2017. Và họ đã khám phá ra, đường tròn ánh sáng bao quanh lỗ đen ở thiên hà M87 trong bức ảnh mới có những đường sọc – hiển thị ánh sáng bị phân cực rất mạnh bị phân cực. Mẫu hình xoắn ốc của các đường xoắn là kết quả của một từ trường rất mạnh quanh lỗ đen ở trung tâm thiên hà M87. Điểm mấu chốt nằm ở chỗ này.

Đây là lần đầu tiên các nhà vật lý có thể đo đạc được sự phân cực, một dấu hiệu của từ trường, ở  gần với rìa của một lỗ đen. Nó là miếng ghép tiếp theo của bằng chứng để hiểu cách từ trường hành xử quanh các lỗ đen, và cách hoạt động trong vùng vô cùng đậm đặc của vũ trụ có thể truyền các chùm tia năng lượng kéo dài khắp thiên hà này, Monika Mościbrodzka, người điều phối Nhóm làm việc Đo phân cực EHT, đánh giá.

Các chùm tia của năng lượng và vật chất xuất hiện ở lõi thiên hà M87 và trải rộng ít nhất 5.000 năm ánh sáng. Các quan sát cho thấy từ trường tại rìa lỗ đen đủ mạnh để đẩy ngược vào khí nóng và khiến nó chống lại được lực hấp dẫn. Chỉ có khí thoát qua trường này mới có thể làm xoắn vào chân trời sự kiện, theo Jason Dexter, người điều phối Nhóm làm việc về lý thuyết EHT. Vì vậy, các mô hình lý thuyết mô tả khí từ hóa mới có thể giải thích những gì xuất hiện ở chân trời sự kiện.

Do đó, việc dùng mô hình SANE (từ trường yếu hơn và xoáy trong đĩa bồi) để mô tả các chùm tia lỗ đen chưa thực sự thích hợp. Các chùm tia thú vị này sẽ phù hợp hơn với mô hình MAD (từ trường mạnh và kết hợp-coherent). Alexander Chen (Đại học Colorado) đã phát biểu như vậy (xem hình 2).

Kết luận

Như vậy, một trong hiện tượng bí ẩn nhất của vũ trụ: các tia (jet) năng lượng lớn có kích thước nhiều ngàn năm ánh sáng xuyên qua vũ trụ từ những lỗ đen siêu nặng đã được giải thích.□

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Natalie Wolchover

Physicists Identify the Engine Powering Black Hole Energy Beams

https://www.quantamagazine.org/physicists-identify-the-engine-powering-black-hole-energy-beams-20210520/

https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2021/05/Blackhole_jets_MOBILE_v1.svg

[2] Cao Chi, Vật lý hiện đại, Những vấn đề thời sự từ Big Bounce đến vũ trụ toàn ảnh, NXB Tri Thức 2011.