Sử dụng dữ liệu 16 năm từ tàu vũ trụ Fermi phát hiện tia gamma của NASA, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng "microquasar", hệ thống mà trong đó một lỗ đen đang từ từ nuốt chửng một ngôi sao, có thể nhỏ, nhưng chúng có sức mạnh khủng khiếp.
Mặc dù có bản chất nhỏ bé, nghiên cứu này cho thấy ngay cả microquasar ăn những ngôi sao nhỏ cũng có thể có ảnh hưởng vũ trụ ấn tượng, trở thành máy gia tốc hạt tự nhiên mạnh mẽ.
Điều này có nghĩa là các lỗ đen thưởng thức bữa ăn của các ngôi sao ở mọi kích thước có thể chịu trách nhiệm cho một lượng lớn hơn dự kiến các hạt tích điện năng lượng cao được gọi là "tia vũ trụ", liên tục bắn phá Trái đất. Cơ chế cho sự gia tốc hạt này là các tia gần bằng tốc độ ánh sáng phát ra từ các vi quasar.
"Trái đất liên tục bị bắn phá bởi các hạt được gia tốc ở những nơi khác trong thiên hà của chúng ta. Chúng chủ yếu là proton và electron, thường được gọi là tia vũ trụ", đồng trưởng nhóm Guillem Martí-Devesa từ Đại học Trieste nói với Space.com. "Tuy nhiên, nguồn gốc của chúng đã được tranh luận trong nhiều thập kỷ."
Những gì Martí-Devesa và đồng trưởng nhóm Laura Olivera-Nieto từ Viện Vật lý hạt nhân Max Planck tìm thấy là một nguồn tia gamma mới phù hợp với vị trí của GRS 1915+105, một vi quasar nổi tiếng trong đó một lỗ đen đang từ từ ăn một ngôi sao có khối lượng thấp.
"Việc tìm ra các nguồn có thể tăng tốc các hạt và hiểu được điều gì khiến chúng trở nên đặc biệt là bước đầu tiên để khám phá lý do và cách thức vũ trụ đôi khi cung cấp một phần rất nhỏ các hạt với lượng năng lượng khổng lồ", Olivera-Nieto nói với Space.com. "Để tăng tốc các hạt, bạn thường cần một số thành phần: từ trường mạnh, lượng điện năng lớn và sự hiện diện của các hạt để tăng tốc.
"Các tia microquasar có tất cả!"
Quasars là một trong những nguồn sáng sáng nhất trong vũ trụ, thường lấn át ánh sáng kết hợp của hàng tỷ ngôi sao trong thiên hà bao quanh chúng.
Trong khi các lỗ đen siêu lớn có khối lượng gấp từ hàng triệu đến hàng tỷ lần so với mặt trời, thì các lỗ đen sao ăn sao ở trung tâm của các microquasar có khối lượng không quá vài trăm khối lượng mặt trời.
"Hầu hết các ngôi sao trong thiên hà không đơn độc, mà thực sự quay quanh một ngôi sao khác. "Microquasar là một loại cặp cầu thang đặc biệt trong đó một trong hai ngôi sao đã 'chết', tức là hết nhiên liệu và phát nổ", Olivera-Nieto cho biết. "Những gì còn lại là một hố đen. Nếu ngôi sao bình thường ở đủ gần lỗ đen, lỗ đen sẽ bắt đầu xé vật chất ra khỏi nó và nuốt chửng nó.
"Chúng tôi gọi những vật thể này là 'vi quasar' vì chúng giống với quasar, một hiện tượng tương tự nhưng có lỗ đen siêu lớn ở trung tâm các thiên hà."
Lỗ đen ăn các ngôi sao là một hiện tượng khá phổ biến. Khi một ngôi sao tiến đến quá gần một hố đen siêu lớn, lực hấp dẫn cực lớn của gã khổng lồ vũ trụ đó sẽ tạo ra lực thủy triều đè bẹp ngôi sao theo chiều ngang trong khi kéo giãn nó theo chiều dọc.
Quá trình "spaghet hóa" này biến ngôi sao không may thành một sợi mì làm từ vật liệu sao bao quanh hố đen siêu lớn và dần dần được đưa vào hố đen. Những sự kiện mạnh mẽ và dữ dội này được gọi là "sự kiện phá vỡ thủy triều" hoặc "TDE".
Các vi chuẩn tinh khác với TDE vì các ngôi sao liên quan không bị phá hủy nhanh chóng, trong khi những hố đen nhỏ hơn này thích gặm nhấm ngôi sao nạn nhân của chúng. Tuy nhiên, không phải khối lượng của hố đen chịu trách nhiệm cho việc thưởng thức bữa ăn của ngôi sao này.
"Một microquasar ở trong một quỹ đạo ổn định, với hố đen chỉ lấy khối lượng từ ngôi sao với tốc độ rất chậm", Olivera-Nieto cho biết. "Điều đó có nghĩa là nó không phá hủy ngôi sao bằng thủy triều của nó và sẽ không làm như vậy trong quá trình tiến hóa của nó".
"Trong trường hợp của microquasar, chúng ta có một ngôi sao đang dần bị một lỗ đen nuốt chửng", Martí-Devesa cho biết. "Kết quả là, lỗ đen có thể tạo ra các luồng phản lực tương đối mạnh, đây thực sự là đặc điểm riêng biệt của microquasar".
Những luồng chảy ra này trở thành các luồng phản lực thiên văn mạnh nhất được tìm thấy trong thiên hà của chúng ta và do đó, là máy gia tốc hạt vũ trụ tuyệt vời. Câu hỏi đặt ra là, có bao nhiêu tia vũ trụ trong Ngân Hà được tạo ra bởi các vi quasar, đặc biệt là những vi quasar có động cơ lỗ đen khối lượng rất thấp?
Để trả lời câu hỏi này, Olivera-Nieto và Martí-Devesa đã tìm hiểu dữ liệu trong 16 năm do tàu vũ trụ Fermi của NASA thu thập bằng máy dò Kính viễn vọng diện tích lớn (LAT).
Họ đã tìm thấy tín hiệu tia gamma liên quan đến vi quasar GRS 1915+105, còn được gọi là "V1487 Aquilae", một điều gây ngạc nhiên lớn.
Lý do gây ngạc nhiên là GRS 1915+105 là một hệ sao đôi khối lượng thấp bao gồm một lỗ đen có khối lượng bằng 14 lần khối lượng mặt trời đang từ từ nuốt một ngôi sao có khối lượng bằng khoảng một nửa khối lượng mặt trời.
Điều này hoàn toàn trái ngược với các vi quasar tăng tốc hạt đã biết trước đây, vốn chỉ chứa các ngôi sao khổng lồ. Ví dụ, vi quasar SS 433 chứa một lỗ đen đang ăn một ngôi sao có khối lượng gấp mười lần khối lượng mặt trời.
"Điều khiến hệ thống này trở nên đặc biệt thực sự là nó có thể khá phổ biến", Olivera-Nieto cho biết. "Số lượng các ngôi sao trong thiên hà giảm mạnh khi khối lượng của chúng tăng lên: các ngôi sao khối lượng thấp phổ biến hơn nhiều so với các ngôi sao khối lượng lớn. Do đó, điều tương tự cũng phải đúng đối với các hệ thống vi quasar."
Điều đó có nghĩa là việc phát hiện ra rằng ngay cả một hệ thống có một lỗ đen đang từ từ nuốt chửng một ngôi sao nhỏ như vậy cũng có thể tăng tốc các hạt đủ để tạo ra các photon tia gamma ngụ ý rằng sự đóng góp của các vi quasar nói chung vào hàm lượng tia vũ trụ của thiên hà của chúng ta có thể cao hơn những gì các nhà khoa học mong đợi.
"Có rất nhiều vi quasar được biết đến mà không có bằng chứng về phát xạ tia gamma, nghĩa là không có bằng chứng về sự gia tốc của hạt lên năng lượng cao", Olivera-Nieto cho biết. "Một số trong số này là do chúng tôi không nhìn bằng kính viễn vọng đủ nhạy, nhưng một số khác có vẻ đơn giản là không phải là máy gia tốc hiệu quả.
"Chúng tôi muốn hiểu sự khác biệt giữa các hệ thống này, điều này nắm giữ manh mối để hiểu có bao nhiêu tia vũ trụ được tạo ra trong các luồng của các vi quasar."
Các câu chuyện liên quan:
— Lỗ đen khổng lồ của thiên hà M87 bắn ra các luồng với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng
— Lỗ đen ma cà rồng là một 'máy gia tốc hạt vũ trụ' có thể giải quyết một bí ẩn lâu đời về thiên văn học
— Làm thế nào 2 quasar vào buổi bình minh của thời gian có thể là một viên đá Rosetta cho vũ trụ sơ khai
Vì vậy, với bằng chứng mới này, các vi quasar với các ngôi sao có khối lượng thấp cũng có thể là hạt máy gia tốc và góp phần vào các tia vũ trụ đến Trái đất, Martí-Devesa giải thích rằng có lẽ đã đến lúc xem lại các hệ thống vi quasar đã được phát hiện trước đây.
"Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu của chúng tôi sẽ là một bước tiến quan trọng để hiểu được sự đóng góp thực sự của các vi quasar vào sự phong phú của tia vũ trụ trong thiên hà của chúng ta", Martí-Devesa kết luận. "Theo cách này, chúng ta sẽ có thể đánh giá lại toàn bộ quần thể các vi chuẩn tinh và sự liên quan thực sự của chúng với tư cách là tác nhân tạo ra tia vũ trụ trong thiên hà của chúng ta."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào tháng 1 trên The Astrophysical Journal Letters.
Mặc dù có bản chất nhỏ bé, nghiên cứu này cho thấy ngay cả microquasar ăn những ngôi sao nhỏ cũng có thể có ảnh hưởng vũ trụ ấn tượng, trở thành máy gia tốc hạt tự nhiên mạnh mẽ.
Điều này có nghĩa là các lỗ đen thưởng thức bữa ăn của các ngôi sao ở mọi kích thước có thể chịu trách nhiệm cho một lượng lớn hơn dự kiến các hạt tích điện năng lượng cao được gọi là "tia vũ trụ", liên tục bắn phá Trái đất. Cơ chế cho sự gia tốc hạt này là các tia gần bằng tốc độ ánh sáng phát ra từ các vi quasar.
"Trái đất liên tục bị bắn phá bởi các hạt được gia tốc ở những nơi khác trong thiên hà của chúng ta. Chúng chủ yếu là proton và electron, thường được gọi là tia vũ trụ", đồng trưởng nhóm Guillem Martí-Devesa từ Đại học Trieste nói với Space.com. "Tuy nhiên, nguồn gốc của chúng đã được tranh luận trong nhiều thập kỷ."
Những gì Martí-Devesa và đồng trưởng nhóm Laura Olivera-Nieto từ Viện Vật lý hạt nhân Max Planck tìm thấy là một nguồn tia gamma mới phù hợp với vị trí của GRS 1915+105, một vi quasar nổi tiếng trong đó một lỗ đen đang từ từ ăn một ngôi sao có khối lượng thấp.
"Việc tìm ra các nguồn có thể tăng tốc các hạt và hiểu được điều gì khiến chúng trở nên đặc biệt là bước đầu tiên để khám phá lý do và cách thức vũ trụ đôi khi cung cấp một phần rất nhỏ các hạt với lượng năng lượng khổng lồ", Olivera-Nieto nói với Space.com. "Để tăng tốc các hạt, bạn thường cần một số thành phần: từ trường mạnh, lượng điện năng lớn và sự hiện diện của các hạt để tăng tốc.
"Các tia microquasar có tất cả!"
Quasars so với miniquasar
Các quasar chuẩn được cung cấp năng lượng bởi các lỗ đen siêu lớn ăn vật chất và khí xung quanh ở các vùng trung tâm của một số thiên hà được gọi là nhân thiên hà hoạt động (AGN).Quasars là một trong những nguồn sáng sáng nhất trong vũ trụ, thường lấn át ánh sáng kết hợp của hàng tỷ ngôi sao trong thiên hà bao quanh chúng.
Trong khi các lỗ đen siêu lớn có khối lượng gấp từ hàng triệu đến hàng tỷ lần so với mặt trời, thì các lỗ đen sao ăn sao ở trung tâm của các microquasar có khối lượng không quá vài trăm khối lượng mặt trời.
"Hầu hết các ngôi sao trong thiên hà không đơn độc, mà thực sự quay quanh một ngôi sao khác. "Microquasar là một loại cặp cầu thang đặc biệt trong đó một trong hai ngôi sao đã 'chết', tức là hết nhiên liệu và phát nổ", Olivera-Nieto cho biết. "Những gì còn lại là một hố đen. Nếu ngôi sao bình thường ở đủ gần lỗ đen, lỗ đen sẽ bắt đầu xé vật chất ra khỏi nó và nuốt chửng nó.
"Chúng tôi gọi những vật thể này là 'vi quasar' vì chúng giống với quasar, một hiện tượng tương tự nhưng có lỗ đen siêu lớn ở trung tâm các thiên hà."
Lỗ đen ăn các ngôi sao là một hiện tượng khá phổ biến. Khi một ngôi sao tiến đến quá gần một hố đen siêu lớn, lực hấp dẫn cực lớn của gã khổng lồ vũ trụ đó sẽ tạo ra lực thủy triều đè bẹp ngôi sao theo chiều ngang trong khi kéo giãn nó theo chiều dọc.
Quá trình "spaghet hóa" này biến ngôi sao không may thành một sợi mì làm từ vật liệu sao bao quanh hố đen siêu lớn và dần dần được đưa vào hố đen. Những sự kiện mạnh mẽ và dữ dội này được gọi là "sự kiện phá vỡ thủy triều" hoặc "TDE".
Các vi chuẩn tinh khác với TDE vì các ngôi sao liên quan không bị phá hủy nhanh chóng, trong khi những hố đen nhỏ hơn này thích gặm nhấm ngôi sao nạn nhân của chúng. Tuy nhiên, không phải khối lượng của hố đen chịu trách nhiệm cho việc thưởng thức bữa ăn của ngôi sao này.
"Một microquasar ở trong một quỹ đạo ổn định, với hố đen chỉ lấy khối lượng từ ngôi sao với tốc độ rất chậm", Olivera-Nieto cho biết. "Điều đó có nghĩa là nó không phá hủy ngôi sao bằng thủy triều của nó và sẽ không làm như vậy trong quá trình tiến hóa của nó".
Microquasars như máy gia tốc hạt vũ trụ
Nghiên cứu mới này cho thấy rằng mặc dù động cơ lỗ đen của chúng có kích thước nhỏ (so với lỗ đen siêu lớn) và cách tiếp cận chậm chạp của chúng để ăn các ngôi sao, microquasar có thể có ảnh hưởng vũ trụ ấn tượng, trở thành máy gia tốc hạt tự nhiên mạnh mẽ."Trong trường hợp của microquasar, chúng ta có một ngôi sao đang dần bị một lỗ đen nuốt chửng", Martí-Devesa cho biết. "Kết quả là, lỗ đen có thể tạo ra các luồng phản lực tương đối mạnh, đây thực sự là đặc điểm riêng biệt của microquasar".
Những luồng chảy ra này trở thành các luồng phản lực thiên văn mạnh nhất được tìm thấy trong thiên hà của chúng ta và do đó, là máy gia tốc hạt vũ trụ tuyệt vời. Câu hỏi đặt ra là, có bao nhiêu tia vũ trụ trong Ngân Hà được tạo ra bởi các vi quasar, đặc biệt là những vi quasar có động cơ lỗ đen khối lượng rất thấp?
Để trả lời câu hỏi này, Olivera-Nieto và Martí-Devesa đã tìm hiểu dữ liệu trong 16 năm do tàu vũ trụ Fermi của NASA thu thập bằng máy dò Kính viễn vọng diện tích lớn (LAT).
Họ đã tìm thấy tín hiệu tia gamma liên quan đến vi quasar GRS 1915+105, còn được gọi là "V1487 Aquilae", một điều gây ngạc nhiên lớn.
Lý do gây ngạc nhiên là GRS 1915+105 là một hệ sao đôi khối lượng thấp bao gồm một lỗ đen có khối lượng bằng 14 lần khối lượng mặt trời đang từ từ nuốt một ngôi sao có khối lượng bằng khoảng một nửa khối lượng mặt trời.
Điều này hoàn toàn trái ngược với các vi quasar tăng tốc hạt đã biết trước đây, vốn chỉ chứa các ngôi sao khổng lồ. Ví dụ, vi quasar SS 433 chứa một lỗ đen đang ăn một ngôi sao có khối lượng gấp mười lần khối lượng mặt trời.
"Điều khiến hệ thống này trở nên đặc biệt thực sự là nó có thể khá phổ biến", Olivera-Nieto cho biết. "Số lượng các ngôi sao trong thiên hà giảm mạnh khi khối lượng của chúng tăng lên: các ngôi sao khối lượng thấp phổ biến hơn nhiều so với các ngôi sao khối lượng lớn. Do đó, điều tương tự cũng phải đúng đối với các hệ thống vi quasar."
Điều đó có nghĩa là việc phát hiện ra rằng ngay cả một hệ thống có một lỗ đen đang từ từ nuốt chửng một ngôi sao nhỏ như vậy cũng có thể tăng tốc các hạt đủ để tạo ra các photon tia gamma ngụ ý rằng sự đóng góp của các vi quasar nói chung vào hàm lượng tia vũ trụ của thiên hà của chúng ta có thể cao hơn những gì các nhà khoa học mong đợi.
"Có rất nhiều vi quasar được biết đến mà không có bằng chứng về phát xạ tia gamma, nghĩa là không có bằng chứng về sự gia tốc của hạt lên năng lượng cao", Olivera-Nieto cho biết. "Một số trong số này là do chúng tôi không nhìn bằng kính viễn vọng đủ nhạy, nhưng một số khác có vẻ đơn giản là không phải là máy gia tốc hiệu quả.
"Chúng tôi muốn hiểu sự khác biệt giữa các hệ thống này, điều này nắm giữ manh mối để hiểu có bao nhiêu tia vũ trụ được tạo ra trong các luồng của các vi quasar."
Các câu chuyện liên quan:
— Lỗ đen khổng lồ của thiên hà M87 bắn ra các luồng với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng
— Lỗ đen ma cà rồng là một 'máy gia tốc hạt vũ trụ' có thể giải quyết một bí ẩn lâu đời về thiên văn học
— Làm thế nào 2 quasar vào buổi bình minh của thời gian có thể là một viên đá Rosetta cho vũ trụ sơ khai
Vì vậy, với bằng chứng mới này, các vi quasar với các ngôi sao có khối lượng thấp cũng có thể là hạt máy gia tốc và góp phần vào các tia vũ trụ đến Trái đất, Martí-Devesa giải thích rằng có lẽ đã đến lúc xem lại các hệ thống vi quasar đã được phát hiện trước đây.
"Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu của chúng tôi sẽ là một bước tiến quan trọng để hiểu được sự đóng góp thực sự của các vi quasar vào sự phong phú của tia vũ trụ trong thiên hà của chúng ta", Martí-Devesa kết luận. "Theo cách này, chúng ta sẽ có thể đánh giá lại toàn bộ quần thể các vi chuẩn tinh và sự liên quan thực sự của chúng với tư cách là tác nhân tạo ra tia vũ trụ trong thiên hà của chúng ta."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào tháng 1 trên The Astrophysical Journal Letters.
