Các lỗ đen có thể rò rỉ nhiều năng lượng hơn vào môi trường xung quanh so với những gì người ta từng nghi ngờ — và các khoảng trống này quay càng nhanh thì việc khai thác năng lượng này có vẻ càng hiệu quả.
Với suy nghĩ này, một nhóm các nhà khoa học đã phát hiện ra cách các đĩa khí và bụi xoáy xung quanh các lỗ đen có thể trở thành động cơ mạnh mẽ của các nhà máy điện thiên hà. Đây là ý nghĩa của điều đó.
Kể từ năm 1977, các nhà nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng năng lượng chủ yếu được lấy từ các vòng quay của lỗ đen do từ trường của các vật thể và được dẫn vào các luồng hạt năng lượng cao mạnh mẽ phun ra từ các cực của các vật thể bằng một quá trình gọi là "Hiệu ứng Blandford-Znajek (BZ)". Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn về nhiều điều liên quan đến quá trình này, chẳng hạn như yếu tố nào quyết định lượng năng lượng được chuyển đổi.
Để giải quyết những câu hỏi này, một nhóm nghiên cứu đã mô phỏng hoạt động của cái gọi là đĩa bồi tụ xung quanh một hố đen siêu lớn; mô phỏng này không chỉ có thể cung cấp những hiểu biết quan trọng về vật lý phức tạp xung quanh các hố đen mà còn có khả năng định nghĩa lại hiểu biết của chúng ta về vai trò của các hố đen siêu lớn trong việc định hình toàn bộ các thiên hà.
"Người ta từ lâu đã biết rằng khí rơi vào có thể trích xuất năng lượng spin từ một hố đen", Jason Dexter, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đại học Colorado, Boulder cho biết trong một tuyên bố. "Thông thường, chúng tôi cho rằng điều này rất quan trọng đối với việc cung cấp năng lượng cho máy bay phản lực."
Bằng cách thực hiện các phép đo chính xác hơn, Dexter cho biết, nghiên cứu mới của nhóm ông cho thấy nhiều năng lượng hơn được trích xuất từ các lỗ đen so với trước đây.
"Năng lượng này có thể được bức xạ ra dưới dạng ánh sáng hoặc có thể khiến khí chảy ra ngoài", Dexter tiếp tục. "Dù bằng cách nào, năng lượng spin được chiết xuất có thể là nguồn năng lượng quan trọng để thắp sáng các vùng gần chân trời sự kiện của lỗ đen."
Các nhà khoa học đã nghiên cứu lỗ đen và sự tương tác của chúng với các thiên hà xung quanh trong nhiều thập kỷ. Mục đích là khám phá cách các hố đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà, có khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần khối lượng của mặt trời, cung cấp năng lượng cho các nhân thiên hà hoạt động (AGN) và các tia gần bằng tốc độ ánh sáng. Các AGN thường sáng đến mức chúng lấn át ánh sáng kết hợp của mọi ngôi sao trong các thiên hà xung quanh chúng, và điều đó đòi hỏi rất nhiều năng lượng — năng lượng phải đến từ đâu đó.
Nhiều nghiên cứu trước đây tập trung vào các nguồn có độ sáng thấp với "dòng tích tụ" hình cầu cung cấp năng lượng cho các hố đen. Đó là vì việc mô hình hóa các đĩa mỏng và không ổn định về mặt lý thuyết nhưng lại rất đặc và có từ tính cao trong các AGN có độ sáng cao hơn là một thách thức.
Những nghiên cứu đã được thực hiện trên các hệ thống này cho thấy rằng các trường từ mạnh có thể giúp ổn định các đĩa này, nhưng nếu đúng như vậy, thì vẫn chưa rõ các trường đó đóng vai trò gì trong việc khai thác năng lượng và tạo ra tia.
"Chúng tôi muốn hiểu cách khai thác năng lượng diễn ra trong các môi trường có từ tính cao này", Prasun Dhang, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Colorado, Boulder, cho biết trong tuyên bố.
Mô hình máy tính tiên tiến mà nhóm nghiên cứu sử dụng, có tên là từ thủy động lực học tương đối tổng quát 3D (GRMHD), mô phỏng vật lý của khí siêu nóng, hay "plasma", trong cấu trúc cong của không thời gian và vùng trọng lực cao xung quanh các lỗ đen.
Điều này cho phép các nhà nghiên cứu quan sát cách các trường từ tương tác với các lỗ đen quay ở các tốc độ khác nhau, đặc biệt là xem xét hiệu quả khai thác năng lượng.
"Mục tiêu là xem từ thông luồn lách qua lỗ đen tác động như thế nào đến quá trình khai thác năng lượng và liệu nó có dẫn đến sự hình thành các luồng phản lực hay không", Dhang cho biết.
Các mô phỏng cho thấy rằng từ 10% đến 70% năng lượng được trích xuất từ sự quay của các lỗ đen được dẫn đến các tia của nó thông qua quá trình BZ.
"Spin càng cao [càng nhanh], thì lỗ đen có thể giải phóng càng nhiều năng lượng", Dhang tiếp tục.
Các câu chuyện liên quan:
—Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra những chấm đỏ nhỏ đang cung cấp năng lượng cho lỗ đen: 'Đây là cách bạn giải quyết một vấn đề phá vỡ vũ trụ'
—Khám phá lớn nhất từ trước đến nay về các lỗ đen 'liên kết còn thiếu' được tiết lộ bởi máy ảnh năng lượng tối (video)
—Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra lỗ đen có thể phá hủy sự hình thành sao
Phần năng lượng còn lại được trích xuất từ sự quay của lỗ đen (nhưng không được dẫn đến Các tia phản lực) hoặc bị hấp thụ bởi đĩa bồi tụ hoặc bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.
Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng cường độ từ trường làm tăng độ sáng của đĩa bồi tụ của lỗ đen. Điều đó có thể giải thích tại sao một số AGN sáng hơn nhiều so với dự đoán của các mô hình lý thuyết.
"Năng lượng chưa sử dụng gần hố đen có thể làm nóng đĩa và góp phần tạo ra vành nhật hoa", Dhang cho biết.
Hiện nhóm nghiên cứu có ý định tiến hành thêm các mô phỏng và hiểu rõ hơn về cách vành nhật hoa có thể hình thành xung quanh hố đen.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 14 tháng 2 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
Với suy nghĩ này, một nhóm các nhà khoa học đã phát hiện ra cách các đĩa khí và bụi xoáy xung quanh các lỗ đen có thể trở thành động cơ mạnh mẽ của các nhà máy điện thiên hà. Đây là ý nghĩa của điều đó.
Kể từ năm 1977, các nhà nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng năng lượng chủ yếu được lấy từ các vòng quay của lỗ đen do từ trường của các vật thể và được dẫn vào các luồng hạt năng lượng cao mạnh mẽ phun ra từ các cực của các vật thể bằng một quá trình gọi là "Hiệu ứng Blandford-Znajek (BZ)". Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn về nhiều điều liên quan đến quá trình này, chẳng hạn như yếu tố nào quyết định lượng năng lượng được chuyển đổi.
Để giải quyết những câu hỏi này, một nhóm nghiên cứu đã mô phỏng hoạt động của cái gọi là đĩa bồi tụ xung quanh một hố đen siêu lớn; mô phỏng này không chỉ có thể cung cấp những hiểu biết quan trọng về vật lý phức tạp xung quanh các hố đen mà còn có khả năng định nghĩa lại hiểu biết của chúng ta về vai trò của các hố đen siêu lớn trong việc định hình toàn bộ các thiên hà.
"Người ta từ lâu đã biết rằng khí rơi vào có thể trích xuất năng lượng spin từ một hố đen", Jason Dexter, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đại học Colorado, Boulder cho biết trong một tuyên bố. "Thông thường, chúng tôi cho rằng điều này rất quan trọng đối với việc cung cấp năng lượng cho máy bay phản lực."
Bằng cách thực hiện các phép đo chính xác hơn, Dexter cho biết, nghiên cứu mới của nhóm ông cho thấy nhiều năng lượng hơn được trích xuất từ các lỗ đen so với trước đây.
"Năng lượng này có thể được bức xạ ra dưới dạng ánh sáng hoặc có thể khiến khí chảy ra ngoài", Dexter tiếp tục. "Dù bằng cách nào, năng lượng spin được chiết xuất có thể là nguồn năng lượng quan trọng để thắp sáng các vùng gần chân trời sự kiện của lỗ đen."
Các nhà khoa học đã nghiên cứu lỗ đen và sự tương tác của chúng với các thiên hà xung quanh trong nhiều thập kỷ. Mục đích là khám phá cách các hố đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà, có khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần khối lượng của mặt trời, cung cấp năng lượng cho các nhân thiên hà hoạt động (AGN) và các tia gần bằng tốc độ ánh sáng. Các AGN thường sáng đến mức chúng lấn át ánh sáng kết hợp của mọi ngôi sao trong các thiên hà xung quanh chúng, và điều đó đòi hỏi rất nhiều năng lượng — năng lượng phải đến từ đâu đó.
Nhiều nghiên cứu trước đây tập trung vào các nguồn có độ sáng thấp với "dòng tích tụ" hình cầu cung cấp năng lượng cho các hố đen. Đó là vì việc mô hình hóa các đĩa mỏng và không ổn định về mặt lý thuyết nhưng lại rất đặc và có từ tính cao trong các AGN có độ sáng cao hơn là một thách thức.
Những nghiên cứu đã được thực hiện trên các hệ thống này cho thấy rằng các trường từ mạnh có thể giúp ổn định các đĩa này, nhưng nếu đúng như vậy, thì vẫn chưa rõ các trường đó đóng vai trò gì trong việc khai thác năng lượng và tạo ra tia.
"Chúng tôi muốn hiểu cách khai thác năng lượng diễn ra trong các môi trường có từ tính cao này", Prasun Dhang, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Colorado, Boulder, cho biết trong tuyên bố.
Mô hình máy tính tiên tiến mà nhóm nghiên cứu sử dụng, có tên là từ thủy động lực học tương đối tổng quát 3D (GRMHD), mô phỏng vật lý của khí siêu nóng, hay "plasma", trong cấu trúc cong của không thời gian và vùng trọng lực cao xung quanh các lỗ đen.
Điều này cho phép các nhà nghiên cứu quan sát cách các trường từ tương tác với các lỗ đen quay ở các tốc độ khác nhau, đặc biệt là xem xét hiệu quả khai thác năng lượng.
"Mục tiêu là xem từ thông luồn lách qua lỗ đen tác động như thế nào đến quá trình khai thác năng lượng và liệu nó có dẫn đến sự hình thành các luồng phản lực hay không", Dhang cho biết.
Các mô phỏng cho thấy rằng từ 10% đến 70% năng lượng được trích xuất từ sự quay của các lỗ đen được dẫn đến các tia của nó thông qua quá trình BZ.
"Spin càng cao [càng nhanh], thì lỗ đen có thể giải phóng càng nhiều năng lượng", Dhang tiếp tục.
Các câu chuyện liên quan:
—Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra những chấm đỏ nhỏ đang cung cấp năng lượng cho lỗ đen: 'Đây là cách bạn giải quyết một vấn đề phá vỡ vũ trụ'
—Khám phá lớn nhất từ trước đến nay về các lỗ đen 'liên kết còn thiếu' được tiết lộ bởi máy ảnh năng lượng tối (video)
—Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra lỗ đen có thể phá hủy sự hình thành sao
Phần năng lượng còn lại được trích xuất từ sự quay của lỗ đen (nhưng không được dẫn đến Các tia phản lực) hoặc bị hấp thụ bởi đĩa bồi tụ hoặc bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.
Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng cường độ từ trường làm tăng độ sáng của đĩa bồi tụ của lỗ đen. Điều đó có thể giải thích tại sao một số AGN sáng hơn nhiều so với dự đoán của các mô hình lý thuyết.
"Năng lượng chưa sử dụng gần hố đen có thể làm nóng đĩa và góp phần tạo ra vành nhật hoa", Dhang cho biết.
Hiện nhóm nghiên cứu có ý định tiến hành thêm các mô phỏng và hiểu rõ hơn về cách vành nhật hoa có thể hình thành xung quanh hố đen.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 14 tháng 2 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
