“Hubble phát hiện lỗ đen siêu hiếm ẩn nấp trong cụm sao khổng lồ”

Cho đến nay, các lỗ đen trung gian phần lớn là một cấu trúc lý thuyết. Nhưng lỗ đen mới được xác định là bằng chứng tốt nhất cho thấy những lỗ đen cỡ trung bình cực kỳ hiếm như vậy tồn tại.

Các nhà thiên văn học đã có một khám phá quan trọng trong quá trình tìm kiếm các lỗ đen cỡ trung bình nhờ Kính viễn vọng Không gian Hubble của NASA/ESA. Thực thể vũ trụ khó nắm bắt này, lớn hơn một lỗ đen thu nhỏ nhưng nhỏ hơn một siêu khối lượng, đã khiến các nhà khoa học bối rối trong nhiều năm.

Bằng cách nghiên cứu lõi của cụm sao cầu Messier 4 (M4), các nhà nghiên cứu báo cáo đã phát hiện ra một ứng cử viên sáng giá cho lỗ đen cỡ trung bình.

Thu hẹp khoảng cách: Săn lùng lỗ đen cỡ trung bình

Các lỗ đen giống như các lỗ hấp dẫn cực mạnh, làm biến dạng kết cấu của không gian. Chúng có hai kích cỡ phổ biến: loại nhỏ, có khối lượng gấp vài lần Mặt trời của chúng ta, nằm rải rác khắp thiên hà của chúng ta; và những người khổng lồ siêu nặng, nặng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần khối lượng Mặt trời của chúng ta, được tìm thấy ẩn nấp trong lòng các thiên hà khắp vũ trụ.

Nhưng còn những lỗ đen khối lượng trung bình, nặng khoảng 100 đến 100.000 lần khối lượng Mặt trời của chúng ta thì sao? “Mắt xích bị mất” trong vũ trụ này đã khiến các nhà khoa học bối rối trong nhiều năm. Chúng hình thành như thế nào? Họ sống ở đâu? Và tại sao chúng lại hiếm như vậy? Các câu trả lời là rất ít và xa.

Trong những năm gần đây, các nhà thiên văn học đã xác định được các lỗ đen có khối lượng trung bình tiềm năng bằng nhiều kỹ thuật quan sát. Hai ứng cử viên đáng chú ý—3XMM J215022.4-055108 và HLX-1—cư trú ở rìa thiên hà và có khối lượng gấp hàng chục nghìn lần Mặt trời của chúng ta. Vật thể nặng này có thể đã từng neo đậu một thiên hà lùn.

Hướng ánh mắt về gần nhà hơn, các nhà khoa học đã nghi ngờ sự hiện diện của các lỗ đen khối lượng trung bình trong các cụm sao hình cầu dày đặc quay quanh Dải Ngân hà của chúng ta. Ví dụ, vào năm 2008, các nhà thiên văn học sử dụng Kính viễn vọng Không gian Hubble đã thông báo về khả năng tồn tại của một lỗ đen có khối lượng trung bình trong cụm sao cầu Omega Centauri. Tuy nhiên, do dữ liệu hạn chế và các lý thuyết thay thế, những phát hiện này vẫn chưa có kết luận cho đến tận bây giờ.

Kính viễn vọng Hubble với một cụm sao cầu lớn

Khai thác các khả năng độc đáo của Kính viễn vọng Không gian Hubble, một nhóm do Eduardo Vitral thuộc Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian dẫn đầu đã bắt tay vào sứ mệnh săn lùng các lỗ đen với độ chính xác vô song. Mục tiêu của chúng: lõi của cụm sao cầu Messier 4 (M4). Thông qua phân tích cẩn thận các quan sát của Hubble trong 12 năm, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một ứng cử viên sáng giá cho lỗ đen khối lượng trung bình, ẩn khỏi tầm nhìn trực tiếp nhưng được tiết lộ thông qua chuyển động của các ngôi sao xung quanh.

Giống như một con ong bay quanh tổ, một ngôi sao bị cuốn vào trường hấp dẫn vô hình của người khổng lồ này sẽ đưa ra manh mối về sự tồn tại của nó. Bằng cách đo chính xác chuyển động của những ngôi sao này, các nhà thiên văn học ước tính khối lượng của lỗ đen gấp khoảng 800 lần so với Mặt trời của chúng ta. Bước đột phá này sẽ không thể thực hiện được nếu không có khả năng đáng kinh ngạc của Kính viễn vọng Không gian Hubble.

Để củng cố trường hợp của họ, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang dữ liệu từ tàu vũ trụ Gaia của ESA, đã quét hơn 6000 ngôi sao trong cụm sao, giúp tinh chỉnh hình dạng và khối lượng của cụm sao. Cùng với nhau, dữ liệu từ Hubble và Gaia loại trừ các lý thuyết thay thế, chẳng hạn như một cụm tàn dư sao chưa được giải quyết hoặc một lỗ đen nhỏ hơn. Thay vào đó, bằng chứng chỉ ra một khả năng thú vị – một lỗ đen có khối lượng trung bình.

Mặc dù đội nghiên cứu không thể tuyên bố dứt khoát nó là trọng tâm, nhưng có một điều rõ ràng: lỗ đen bị nghi ngờ cực kỳ đặc, chiếm diện tích nhỏ hơn ba lần so với bất kỳ khối đặc nào được xác định trước đó trong một cụm sao cầu khác. Theo Vitral, sự nhỏ gọn này thách thức các mô hình vật lý hiện tại liên quan đến các cụm lỗ đen, sao neutron và sao lùn trắng.

Vitral cho biết: “Sử dụng dữ liệu mới nhất của Gaia và Hubble, không thể phân biệt giữa một quần thể tàn dư sao tối và một nguồn giống như điểm lớn hơn. “Vì vậy, một giả thuyết có thể là thay vì là nhiều vật thể tối nhỏ riêng biệt, khối tối này có thể là một lỗ đen cỡ trung bình.”

Nếu đối tượng được đề cập không phải là một lỗ đen có khối lượng trung bình, thì sẽ cần đến 40 lỗ đen nhỏ hơn đáng kinh ngạc bị ép vào không gian chỉ bằng một phần mười năm ánh sáng để giải thích chuyển động quan sát được của ngôi sao. Một cấu hình như vậy sẽ dẫn đến sự hợp nhất và bùng phát liên tục—một trò chơi vũ trụ của trò bắn bi giữa các vì sao.

Hành trình tìm hiểu các lỗ đen khối lượng trung bình là một hành trình dần dần, với mỗi bước mở đường cho sự chắc chắn hơn nữa. Phát hiện này đánh dấu một bước quan trọng để xác nhận sự tồn tại của chúng. Nhà khoa học sứ mệnh Gaia Timo Prusti đã nhấn mạnh vai trò quan trọng của dữ liệu từ Bản phát hành dữ liệu Gaia 3, cùng với lời hứa về các bản phát hành trong tương lai và các cuộc điều tra bổ sung của Kính viễn vọng Không gian Hubble và James Webb, để làm sáng tỏ thêm câu đố vũ trụ này.

“Khoa học hiếm khi phát hiện ra một cái gì đó mới cùng một lúc. Đó là việc trở nên chắc chắn hơn về các kết luận từng bước một, và đây có thể là một bước tiến tới việc đảm bảo rằng các lỗ đen khối lượng trung bình tồn tại,” nhà khoa học sứ mệnh Gaia Timo Prusti giải thích.

“Dữ liệu từ Bản phát hành dữ liệu Gaia 3 về chuyển động thích hợp của các ngôi sao trong Dải Ngân hà rất quan trọng đối với nghiên cứu này. Bản phát hành dữ liệu Gaia trong tương lai, cũng như các nghiên cứu tiếp theo từ Kính viễn vọng Không gian Hubble và James Webb có thể làm sáng tỏ thêm.”

Những phát hiện xuất hiện trên tạp chí Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.