Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng một số hố đen siêu lớn quay nhanh hơn nhiều so với dự kiến. Phát hiện này là kết quả của một hình thức "khảo cổ học hố đen" mới liên kết các vòng quay của hố đen với khí và bụi mà chúng đã tiêu thụ để phát triển trong hơn 7 tỷ năm lịch sử vũ trụ.
Những phát hiện này, do Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan (SDSS) cung cấp, gợi ý một vài điều. Đầu tiên, vũ trụ sơ khai có thể có trật tự hơn so với nghi ngờ trước đây. Và thứ hai, sự phát triển của các lỗ đen siêu lớn thông qua chuỗi hợp nhất của các lỗ đen ngày càng lớn hơn (được kích hoạt khi các thiên hà va chạm và hợp nhất) có thể được bổ sung bởi các vật thể đang ăn ngấu nghiến khí và bụi xung quanh.
"Chúng tôi đã nghiên cứu các lỗ đen khổng lồ được tìm thấy ở trung tâm của các thiên hà, từ ngày nay cho đến tận bảy tỷ năm trước", thành viên nhóm nghiên cứu Logan Fries, đến từ Đại học Connecticut, cho biết trong tuyên bố. "Thật bất ngờ, chúng tôi phát hiện ra rằng chúng quay quá nhanh để có thể được hình thành chỉ bằng sự hợp nhất của các thiên hà.
"Chúng hẳn đã hình thành phần lớn từ vật chất rơi vào, làm cho lỗ đen phát triển trơn tru và tăng tốc độ quay của nó."
Chúng có thể được định nghĩa riêng lẻ chỉ bằng ba đặc điểm: khối lượng, độ quay và ít quan trọng hơn là điện tích. Như nhà vật lý John Wheeler đã giải thích một cách dí dỏm về sự thiếu hụt các đặc điểm phân biệt này: "lỗ đen không có tóc."
"Lỗ đen có vẻ rất kỳ lạ, nhưng bạn có thể mô tả chúng hoàn toàn chỉ bằng hai con số: khối lượng và tốc độ quay," Fries giải thích. "Vấn đề là khối lượng rất khó để đo lường, và quay thậm chí còn khó hơn."
Tốc độ quay của một lỗ đen rất khó phân biệt với tốc độ quay của đám mây khí và bụi dẹt xung quanh — đĩa bồi tụ —."
"Thách thức nằm ở việc tách biệt tốc độ quay của lỗ đen khỏi tốc độ quay của đĩa bồi tụ bao quanh nó", Jonathan Trump, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu của Đại học Connecticut, cho biết trong tuyên bố. "Điểm mấu chốt là phải nhìn vào vùng sâu nhất, nơi khí đang rơi vào chân trời sự kiện của hố đen.
"Một hố đen quay kéo theo vật chất sâu nhất đó trong suốt chuyến đi, dẫn đến sự khác biệt có thể quan sát được khi chúng ta xem xét các chi tiết trong phép đo của mình."
Dữ liệu này có dạng quang phổ hoặc ánh sáng phát ra trên quang phổ điện từ. Với dữ liệu này trong tay, các nhà khoa học có thể bắt đầu đo tốc độ quay của một hố đen trung tâm.
Một sự thay đổi tinh tế trong bước sóng ánh sáng tiết lộ rất nhiều điều về sự quay của hố đen. Khi vật chất rơi vào hố đen, nó cũng mang theo mômen động lượng — sự quay đó tiết lộ các chi tiết về chế độ ăn uống trong quá khứ của hố đen.
“Tôi gọi cách tiếp cận này là 'khảo cổ học hố đen' vì chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu khối lượng của hố đen đã tăng lên như thế nào theo thời gian,” Fries cho biết. "Khi nhìn vào vòng quay của hố đen, về cơ bản bạn đang nhìn vào hồ sơ hóa thạch của nó."
"Hóa thạch" này có thể được giải mã khi các nhà khoa học so sánh tốc độ quay quan sát được với tốc độ được dự đoán.
Hiện tại, mô hình được ưa chuộng cho rằng các hố đen siêu lớn phát triển do sự hợp nhất được kích hoạt khi các thiên hà chủ của chúng va chạm và hợp nhất. Vì các thiên hà riêng lẻ này có tốc độ quay và định hướng ngẫu nhiên riêng, nên khi chúng hợp nhất, các vòng quay này có thể bị triệt tiêu. Hoặc ít nhất, chúng có thể kết hợp với nhau. Cả hai kết quả đều có khả năng xảy ra như nhau.
Với điều này, các nhà khoa học dự đoán rằng các hố đen sẽ quay rất chậm. Tuy nhiên, đó không phải là những gì nhóm nghiên cứu này phát hiện ra.
Nghiên cứu này không chỉ tiết lộ rằng nhiều hố đen quay nhanh hơn dự kiến mà còn chỉ ra rằng các hố đen ở các thiên hà xa hơn quay thậm chí còn nhanh hơn so với các hố đen trong vũ trụ cục bộ.
Điều này cho thấy tốc độ quay của các hố đen có thể tăng dần theo thời gian. Một cách có thể xảy ra là thông qua sự tích tụ mômen động lượng của lỗ đen bằng cách tích tụ dần bụi và khí.
Các bài viết liên quan:
— Kính viễn vọng tia X Chandra của NASA phát hiện ra lỗ đen 'thổi' vào thức ăn của chúng để làm mát thức ăn
— Các lỗ đen siêu lớn trong các thiên hà 'chấm đỏ nhỏ' lớn hơn 1.000 lần so với kích thước bình thường và các nhà thiên văn học không biết tại sao
— Các lỗ đen có thể phá hủy quá trình hình thành sao, Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra
Các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra thêm ý tưởng này và xác minh các kết quả này bằng cách sử dụng các quan sát từ Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST), trong ba năm hoạt động, đã tìm thấy các lỗ đen siêu lớn từ trước đó và trước đó kỷ nguyên của vũ trụ.
"Các lỗ đen thực sự nằm ở ranh giới hiểu biết của con người", Juna Kollmeier, Giám đốc SDSS-V, giai đoạn hiện tại của SDSS, cho biết trong tuyên bố. "Chúng tôi thực hiện các cuộc khảo sát lớn như SDSS để xây dựng một bức tranh thiên văn vật lý thực nghiệm về các đặc tính cơ bản của chúng, qua đó các mô hình lý thuyết của chúng tôi có thể được đưa vào thử nghiệm".
Fries đã trình bày những phát hiện của nhóm vào ngày 14 tháng 1 tại cuộc họp lần thứ 245 của Hiệp hội Thiên văn học Hoa Kỳ (AAS) tại National Harbor, Maryland.
Những phát hiện này, do Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan (SDSS) cung cấp, gợi ý một vài điều. Đầu tiên, vũ trụ sơ khai có thể có trật tự hơn so với nghi ngờ trước đây. Và thứ hai, sự phát triển của các lỗ đen siêu lớn thông qua chuỗi hợp nhất của các lỗ đen ngày càng lớn hơn (được kích hoạt khi các thiên hà va chạm và hợp nhất) có thể được bổ sung bởi các vật thể đang ăn ngấu nghiến khí và bụi xung quanh.
"Chúng tôi đã nghiên cứu các lỗ đen khổng lồ được tìm thấy ở trung tâm của các thiên hà, từ ngày nay cho đến tận bảy tỷ năm trước", thành viên nhóm nghiên cứu Logan Fries, đến từ Đại học Connecticut, cho biết trong tuyên bố. "Thật bất ngờ, chúng tôi phát hiện ra rằng chúng quay quá nhanh để có thể được hình thành chỉ bằng sự hợp nhất của các thiên hà.
"Chúng hẳn đã hình thành phần lớn từ vật chất rơi vào, làm cho lỗ đen phát triển trơn tru và tăng tốc độ quay của nó."
Đo độ quay của lỗ đen không phải là điều dễ dàng
Mặc dù là những con quái vật vũ trụ định hình toàn bộ các thiên hà xung quanh chúng, nhưng các lỗ đen siêu lớn có khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần so với mặt trời (và các đối tác có khối lượng sao nhỏ hơn của chúng) nhìn chung khá đơn giản.Chúng có thể được định nghĩa riêng lẻ chỉ bằng ba đặc điểm: khối lượng, độ quay và ít quan trọng hơn là điện tích. Như nhà vật lý John Wheeler đã giải thích một cách dí dỏm về sự thiếu hụt các đặc điểm phân biệt này: "lỗ đen không có tóc."
"Lỗ đen có vẻ rất kỳ lạ, nhưng bạn có thể mô tả chúng hoàn toàn chỉ bằng hai con số: khối lượng và tốc độ quay," Fries giải thích. "Vấn đề là khối lượng rất khó để đo lường, và quay thậm chí còn khó hơn."
Tốc độ quay của một lỗ đen rất khó phân biệt với tốc độ quay của đám mây khí và bụi dẹt xung quanh — đĩa bồi tụ —."
"Thách thức nằm ở việc tách biệt tốc độ quay của lỗ đen khỏi tốc độ quay của đĩa bồi tụ bao quanh nó", Jonathan Trump, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu của Đại học Connecticut, cho biết trong tuyên bố. "Điểm mấu chốt là phải nhìn vào vùng sâu nhất, nơi khí đang rơi vào chân trời sự kiện của hố đen.
"Một hố đen quay kéo theo vật chất sâu nhất đó trong suốt chuyến đi, dẫn đến sự khác biệt có thể quan sát được khi chúng ta xem xét các chi tiết trong phép đo của mình."
Một bản ghi hóa thạch vũ trụ
Nhóm nghiên cứu đã giải quyết nhiệm vụ đầy thách thức là xác định độ quay của hố đen bằng cách sử dụng dự án Lập bản đồ phản xạ của SDSS. Dự án này đã thực hiện các phép đo khối lượng cực kỳ chính xác cho hàng trăm hố đen đồng thời tiến hành các quan sát chi tiết về cấu trúc của các đĩa bồi tụ của các khoảng không.Dữ liệu này có dạng quang phổ hoặc ánh sáng phát ra trên quang phổ điện từ. Với dữ liệu này trong tay, các nhà khoa học có thể bắt đầu đo tốc độ quay của một hố đen trung tâm.
Một sự thay đổi tinh tế trong bước sóng ánh sáng tiết lộ rất nhiều điều về sự quay của hố đen. Khi vật chất rơi vào hố đen, nó cũng mang theo mômen động lượng — sự quay đó tiết lộ các chi tiết về chế độ ăn uống trong quá khứ của hố đen.
“Tôi gọi cách tiếp cận này là 'khảo cổ học hố đen' vì chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu khối lượng của hố đen đã tăng lên như thế nào theo thời gian,” Fries cho biết. "Khi nhìn vào vòng quay của hố đen, về cơ bản bạn đang nhìn vào hồ sơ hóa thạch của nó."
"Hóa thạch" này có thể được giải mã khi các nhà khoa học so sánh tốc độ quay quan sát được với tốc độ được dự đoán.
Hiện tại, mô hình được ưa chuộng cho rằng các hố đen siêu lớn phát triển do sự hợp nhất được kích hoạt khi các thiên hà chủ của chúng va chạm và hợp nhất. Vì các thiên hà riêng lẻ này có tốc độ quay và định hướng ngẫu nhiên riêng, nên khi chúng hợp nhất, các vòng quay này có thể bị triệt tiêu. Hoặc ít nhất, chúng có thể kết hợp với nhau. Cả hai kết quả đều có khả năng xảy ra như nhau.
Với điều này, các nhà khoa học dự đoán rằng các hố đen sẽ quay rất chậm. Tuy nhiên, đó không phải là những gì nhóm nghiên cứu này phát hiện ra.
Nghiên cứu này không chỉ tiết lộ rằng nhiều hố đen quay nhanh hơn dự kiến mà còn chỉ ra rằng các hố đen ở các thiên hà xa hơn quay thậm chí còn nhanh hơn so với các hố đen trong vũ trụ cục bộ.
Điều này cho thấy tốc độ quay của các hố đen có thể tăng dần theo thời gian. Một cách có thể xảy ra là thông qua sự tích tụ mômen động lượng của lỗ đen bằng cách tích tụ dần bụi và khí.
Các bài viết liên quan:
— Kính viễn vọng tia X Chandra của NASA phát hiện ra lỗ đen 'thổi' vào thức ăn của chúng để làm mát thức ăn
— Các lỗ đen siêu lớn trong các thiên hà 'chấm đỏ nhỏ' lớn hơn 1.000 lần so với kích thước bình thường và các nhà thiên văn học không biết tại sao
— Các lỗ đen có thể phá hủy quá trình hình thành sao, Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra
Các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra thêm ý tưởng này và xác minh các kết quả này bằng cách sử dụng các quan sát từ Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST), trong ba năm hoạt động, đã tìm thấy các lỗ đen siêu lớn từ trước đó và trước đó kỷ nguyên của vũ trụ.
"Các lỗ đen thực sự nằm ở ranh giới hiểu biết của con người", Juna Kollmeier, Giám đốc SDSS-V, giai đoạn hiện tại của SDSS, cho biết trong tuyên bố. "Chúng tôi thực hiện các cuộc khảo sát lớn như SDSS để xây dựng một bức tranh thiên văn vật lý thực nghiệm về các đặc tính cơ bản của chúng, qua đó các mô hình lý thuyết của chúng tôi có thể được đưa vào thử nghiệm".
Fries đã trình bày những phát hiện của nhóm vào ngày 14 tháng 1 tại cuộc họp lần thứ 245 của Hiệp hội Thiên văn học Hoa Kỳ (AAS) tại National Harbor, Maryland.
