Vào ngày 12 tháng XNUMX, tại chín cuộc họp báo đồng thời trên khắp thế giới, các nhà vật lý thiên văn tiết lộ hình ảnh đầu tiên của lỗ đen ở trung tâm của Dải Ngân hà. Lúc đầu, thật tuyệt vời, hình ảnh được tạo ra một cách cẩn thận về vòng ánh sáng xung quanh hố bóng tối trung tâm của thiên hà chúng ta dường như chỉ đơn thuần chứng minh những gì các chuyên gia đã mong đợi: Hố đen siêu lớn của Dải Ngân hà tồn tại, nó đang quay, và nó tuân theo lời của Albert Einstein thuyết tương đối rộng.
Tuy nhiên, khi kiểm tra kỹ hơn, mọi thứ không hoàn toàn chồng chất lên nhau.
Từ độ sáng của bánh mì tròn, các nhà nghiên cứu đã ước tính nhanh như thế nào vật chất đang rơi xuống Sagittarius A * - tên được đặt cho lỗ đen trung tâm của Dải Ngân hà. Câu trả lời là: không nhanh chóng chút nào. “Nó bị tắc đến một chút nhỏ giọt,” nói Priya Natarajan, một nhà vũ trụ học tại Đại học Yale, so sánh thiên hà với một vòi hoa sen bị vỡ. Bằng cách nào đó, chỉ một phần nghìn vấn đề đó chảy vào dải Ngân hà từ môi trường giữa các thiên hà xung quanh làm cho nó đi xuống và đi vào lỗ. "Đó là một vấn đề lớn," Natarajan nói. “Khí này sẽ đi đâu? Điều gì đang xảy ra với dòng chảy? Rõ ràng là sự hiểu biết của chúng ta về sự phát triển của lỗ đen là rất đáng nghi ngờ ”.
Trong một phần tư thế kỷ qua, các nhà vật lý thiên văn đã nhận ra mối quan hệ chặt chẽ và năng động tồn tại giữa nhiều thiên hà và các lỗ đen tại trung tâm của chúng. “Đã có một sự chuyển đổi thực sự lớn trong lĩnh vực này,” nói Ramesh Narayan, một nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại Đại học Harvard. “Điều ngạc nhiên là các lỗ đen đóng vai trò quan trọng như những người tạo bóng và điều khiển cách các thiên hà phát triển”.
Những lỗ khổng lồ này - nơi tập trung vật chất dày đặc đến mức lực hấp dẫn không cho ánh sáng thoát ra ngoài - giống như động cơ của các thiên hà, nhưng các nhà nghiên cứu mới chỉ bắt đầu hiểu cách chúng hoạt động. Lực hấp dẫn hút bụi và khí vào bên trong trung tâm thiên hà, nơi nó tạo thành một đĩa bồi tụ xoáy xung quanh lỗ đen siêu lớn, nóng lên và biến thành plasma nóng trắng. Sau đó, khi lỗ đen nhấn chìm vật chất này (dưới dạng nhỏ giọt và nhỏ giọt hoặc trong các vụ nổ đột ngột), năng lượng sẽ phụt ra ngoài thiên hà trong một quá trình phản hồi. “Khi bạn phát triển một lỗ đen, bạn đang sản xuất năng lượng và thải nó ra môi trường xung quanh hiệu quả hơn bất kỳ quá trình nào khác mà chúng ta biết trong tự nhiên,” Eliot Quataert, một nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại Đại học Princeton. Phản hồi này ảnh hưởng đến tốc độ hình thành sao và mô hình dòng khí trong toàn thiên hà.
Nhưng các nhà nghiên cứu chỉ có những ý tưởng mơ hồ về các giai đoạn "hoạt động" của lỗ đen siêu lớn, biến chúng thành cái gọi là hạt nhân thiên hà hoạt động (AGN). “Cơ chế kích hoạt là gì? Công tắc tắt là gì? Đây là những câu hỏi cơ bản mà chúng tôi vẫn đang cố gắng giải quyết, " Sảnh Kirsten của Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard-Smithsonian.
Phản hồi sao, xảy ra khi một ngôi sao phát nổ như một siêu tân tinh, được biết là có tác dụng tương tự như phản hồi AGN ở quy mô nhỏ hơn. Các động cơ sao này dễ dàng đủ lớn để điều chỉnh các thiên hà “lùn” nhỏ, trong khi chỉ có các động cơ khổng lồ của các lỗ đen siêu lớn mới có thể chi phối sự tiến hóa của các thiên hà “hình elip” lớn nhất.
Về kích thước, Dải Ngân hà, một thiên hà xoắn ốc điển hình, nằm ở giữa. Với một vài dấu hiệu hoạt động rõ ràng ở trung tâm của nó, thiên hà của chúng ta từ lâu đã được cho là bị chi phối bởi phản hồi sao. Nhưng một số quan sát gần đây cho thấy rằng phản hồi AGN cũng định hình nó. Bằng cách nghiên cứu chi tiết về sự tác động lẫn nhau giữa các cơ chế phản hồi này trong thiên hà nhà của chúng ta - và vật lộn với các câu đố như độ mờ hiện tại của Sagittarius A * - các nhà vật lý thiên văn hy vọng sẽ tìm ra cách các thiên hà và lỗ đen nói chung quay vòng. Dải Ngân hà “đang trở thành phòng thí nghiệm vật lý thiên văn mạnh mẽ nhất,” Natarajan nói. Bằng cách hoạt động như một mô hình thu nhỏ, nó “có thể giữ chìa khóa”.
Động cơ thiên hà
Vào cuối những năm 1990, các nhà thiên văn học thường chấp nhận sự hiện diện của các lỗ đen trong trung tâm các thiên hà. Đến lúc đó, họ có thể nhìn đủ gần những vật thể vô hình này để suy ra khối lượng của chúng từ chuyển động của các ngôi sao xung quanh chúng. Một mối tương quan kỳ lạ xuất hiện: Thiên hà càng có khối lượng lớn, lỗ đen trung tâm của nó càng nặng. “Điều này đặc biệt chặt chẽ, và nó hoàn toàn mang tính cách mạng. Bằng cách nào đó, lỗ đen đang nói chuyện với thiên hà, " Tiziana di Matteo, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Carnegie Mellon.
Mối tương quan là đáng ngạc nhiên khi bạn xem xét rằng lỗ đen - lớn bằng nó - chỉ bằng một phần nhỏ so với kích thước của thiên hà. (Ví dụ, Sagittarius A * nặng khoảng 4 triệu mặt trời, trong khi Dải Ngân hà đo khoảng 1.5 nghìn tỷ khối lượng mặt trời.) Do đó, lực hấp dẫn của lỗ đen chỉ kéo theo bất kỳ cường độ nào lên vùng trong cùng của thiên hà.
Đối với Martin Rees, Hoàng gia về Thiên văn học của Vương quốc Anh, phản hồi của AGN đưa ra một cách tự nhiên để kết nối lỗ đen tương đối nhỏ với thiên hà nói chung. Hai thập kỷ trước đó, vào những năm 1970, Rees đã đưa ra giả thuyết chính xác rằng các lỗ đen siêu lớn cung cấp năng lượng cho các tia sáng quan sát thấy trong một số thiên hà xa, phát sáng rực rỡ được gọi là chuẩn tinh. Anh ấy thậm chí đề xuất, cùng với Donald Lynden-Bell, rằng một lỗ đen sẽ giải thích tại sao trung tâm của Dải Ngân hà lại phát sáng. Đây có thể là dấu hiệu của một hiện tượng chung chi phối kích thước của các lỗ đen siêu lớn ở khắp mọi nơi?
Ý tưởng là một lỗ đen nuốt càng nhiều vật chất, nó càng sáng, và năng lượng và động lượng tăng lên sẽ thổi khí ra bên ngoài. Cuối cùng, áp suất bên ngoài ngăn không cho khí rơi vào lỗ đen. “Điều đó sẽ chấm dứt sự tăng trưởng. Rees nói một cách dễ hiểu, đó là lý do. Hoặc, theo cách nói của Di Matteo, “lỗ đen ăn và sau đó nuốt chửng”. Một thiên hà rất lớn đặt nhiều trọng lượng hơn lên lỗ đen trung tâm, khiến việc thổi khí ra bên ngoài khó hơn, và vì vậy lỗ đen lớn dần lên trước khi nó nuốt chửng.
Tuy nhiên, rất ít nhà vật lý thiên văn tin rằng năng lượng của vật chất vô cùng có thể được phóng ra theo một cách ấn tượng như vậy. Natarajan, người đã giúp phát triển các mô hình phản hồi AGN đầu tiên với tư cách là nghiên cứu sinh của Rees, cho biết: “Khi tôi thực hiện luận án của mình, tất cả chúng tôi đều bị ám ảnh bởi lỗ đen như một điểm không thể quay lại - chỉ có khí đi vào. "Mọi người phải làm điều đó rất thận trọng và thận trọng vì nó rất cấp tiến."
Vài năm sau, xác nhận về ý tưởng phản hồi được đưa ra, từ các mô phỏng máy tính do Di Matteo và các nhà vật lý thiên văn phát triển. Volker Springel và Lars Hernquist. Di Matteo nói: “Chúng tôi muốn tái tạo vườn thú tuyệt vời của các thiên hà mà chúng tôi thấy trong vũ trụ thực. Họ đã biết bức tranh cơ bản: Các thiên hà bắt đầu nhỏ và dày đặc trong vũ trụ sơ khai. Xoay kim đồng hồ về phía trước và trọng lực đập những ngôi sao lùn này lại với nhau trong một ngọn lửa của những vụ hợp nhất ngoạn mục, tạo thành những chiếc vòng, xoáy nước, xì gà và mọi hình dạng ở giữa. Các thiên hà phát triển về kích thước và sự đa dạng cho đến khi, sau đủ các va chạm, chúng trở nên lớn và mịn. Di Matteo nói: “Nó kết thúc thành một đốm màu. Trong các mô phỏng, cô và các đồng nghiệp của mình có thể tái tạo lại những đốm màu lớn không có đặc điểm này, được gọi là thiên hà elip, bằng cách hợp nhất các thiên hà xoắn ốc nhiều lần. Nhưng có một vấn đề.
Trong khi các thiên hà xoắn ốc như Dải Ngân hà có nhiều ngôi sao trẻ phát sáng màu xanh lam, các thiên hà hình elip khổng lồ chỉ chứa các ngôi sao rất già phát sáng màu đỏ. Springel, thuộc Viện Vật lý Thiên văn Max Planck ở Garching, Đức cho biết: “Chúng có màu đỏ và chết. Nhưng mỗi khi nhóm chạy mô phỏng của họ, nó lại tạo ra những hình elip phát sáng màu xanh lam. Bất cứ thứ gì làm tắt quá trình hình thành sao đều không được ghi lại trong mô hình máy tính của họ.
Sau đó, Springel nói, “chúng tôi có ý tưởng tăng cường sự hợp nhất giữa thiên hà của chúng tôi với các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm. Chúng tôi để những lỗ đen này nuốt khí và giải phóng năng lượng cho đến khi toàn bộ thứ bay ra, giống như một chiếc nồi áp suất. Đột nhiên, thiên hà hình elip sẽ ngừng hình thành sao và sẽ trở thành màu đỏ và chết. "
“Tôi há hốc mồm,” anh nói thêm. “Chúng tôi không ngờ [hiệu ứng] lại cực đoan như vậy.”
Bằng cách tái tạo hình elip đỏ và chết, mô phỏng củng cố lý thuyết phản hồi lỗ đen của Rees và Natarajan. Một lỗ đen, mặc dù có kích thước tương đối nhỏ, có thể nói chuyện với toàn bộ thiên hà thông qua phản hồi. Trong hai thập kỷ qua, các mô hình máy tính đã được tinh chỉnh và mở rộng để mô phỏng các dải rộng lớn của vũ trụ, và chúng rất phù hợp với vườn thú thiên hà chiết trung mà chúng ta thấy xung quanh mình. Những mô phỏng này cũng cho thấy rằng năng lượng phóng ra từ các lỗ đen lấp đầy không gian giữa các thiên hà bằng khí nóng mà lẽ ra nó đã nguội đi và biến thành các ngôi sao. Springel cho biết: “Giờ đây, mọi người tin rằng các lỗ đen siêu lớn là động cơ rất hợp lý. “Không ai nghĩ ra một mô hình thành công mà không có lỗ đen”.
Bí ẩn về phản hồi
Tuy nhiên, các mô phỏng máy tính vẫn rất cùn một cách đáng ngạc nhiên.
Khi vật chất chui vào trong đĩa bồi tụ xung quanh lỗ đen, ma sát khiến năng lượng bị đẩy ngược ra ngoài; lượng năng lượng bị mất theo cách này là thứ mà các lập trình viên đưa vào mô phỏng của họ bằng tay thông qua thử và sai. Đó là một dấu hiệu cho thấy các chi tiết vẫn còn khó nắm bắt. Quataert nói: “Có khả năng trong một số trường hợp, chúng tôi đang nhận được câu trả lời đúng cho một lý do sai lầm. “Có thể chúng ta không nắm bắt được điều gì thực sự là điều quan trọng nhất về cách các lỗ đen phát triển và cách chúng đổ năng lượng vào môi trường xung quanh.”
Sự thật là các nhà vật lý thiên văn không thực sự biết phản hồi AGN hoạt động như thế nào. “Chúng tôi biết nó quan trọng như thế nào. Nhưng chính xác là nguyên nhân gây ra phản hồi này đang khiến chúng tôi thoát khỏi chúng tôi, ”Di Matteo nói. “Vấn đề quan trọng, mấu chốt là chúng tôi không hiểu phản hồi một cách sâu sắc, về mặt vật lý.”
Họ biết rằng một số năng lượng được phát ra dưới dạng bức xạ, mang lại cho trung tâm các thiên hà đang hoạt động sự phát sáng đặc trưng của chúng. Từ trường mạnh cũng khiến vật chất bay ra khỏi đĩa bồi tụ, dưới dạng gió thiên hà khuếch tán hoặc trong các phản lực hẹp cực mạnh. Cơ chế mà các lỗ đen được cho là phóng máy bay phản lực, được gọi là Quy trình Blandford-Znajek, được xác định vào những năm 1970, nhưng điều gì quyết định sức mạnh của chùm tia, và bao nhiêu năng lượng của nó bị thiên hà hấp thụ, “vẫn là một vấn đề chưa được giải đáp,” Narayan nói. Gió thiên hà, phát ra hình cầu từ đĩa bồi tụ và do đó có xu hướng tương tác trực tiếp với thiên hà hơn là các tia phản lực hẹp, thậm chí còn bí ẩn hơn. “Câu hỏi hàng tỷ đô la là: Năng lượng kết hợp với khí như thế nào?” Springel nói.
Một dấu hiệu cho thấy vẫn còn một vấn đề là các lỗ đen trong các mô phỏng vũ trụ tiên tiến nhất cuối cùng nhỏ hơn so với kích thước quan sát được của các lỗ đen siêu lớn thực trong một số hệ thống. Để tắt quá trình hình thành sao và tạo ra các thiên hà chết chóc màu đỏ, các mô phỏng cần các lỗ đen phóng ra nhiều năng lượng đến mức chúng làm nghẹt dòng vật chất bên trong, để các lỗ đen ngừng phát triển. “Phản hồi trong các mô phỏng là quá tích cực; Natarajan nói.
Dải Ngân hà minh chứng cho vấn đề ngược lại: Các mô phỏng thường dự đoán rằng một thiên hà có kích thước như nó sẽ có một lỗ đen lớn hơn Nhân mã A * từ 10 đến XNUMX lần.
Bằng cách xem xét kỹ hơn Dải Ngân hà và các thiên hà lân cận, các nhà nghiên cứu hy vọng chúng ta có thể bắt đầu làm sáng tỏ chính xác cách thức hoạt động của phản hồi AGN.
Hệ sinh thái dải ngân hà
Vào tháng 2020 năm XNUMX, các nhà nghiên cứu với kính thiên văn tia X eROSITA báo cáo rằng họ đã phát hiện một cặp bong bóng trải dài hàng chục nghìn năm ánh sáng trên và dưới Dải Ngân hà. Những bong bóng khổng lồ của tia X giống như những bong bóng có vách ngăn bằng nhau của tia gamma mà 10 năm trước đó, Kính viễn vọng Không gian Tia Gamma Fermi đã phát hiện ra từ thiên hà.
Hai lý thuyết về nguồn gốc của bong bóng Fermi vẫn đang được tranh luận sôi nổi. Một số nhà vật lý thiên văn cho rằng chúng là di tích của một máy bay phản lực bắn ra từ Sagittarius A * hàng triệu năm trước. Những người khác cho rằng bong bóng là năng lượng tích lũy của nhiều ngôi sao phát nổ gần trung tâm thiên hà - một dạng phản hồi của sao.
Thời Gian Hsiang-Yi Karen Yang của Đại học Quốc gia Tsing Hua ở Đài Loan đã nhìn thấy hình ảnh bong bóng tia X của eROSITA, cô ấy “bắt đầu nhảy cẫng lên”. Yang thấy rõ rằng tia X có thể có nguồn gốc chung với tia gamma nếu cả hai đều được tạo ra bởi cùng một tia AGN. (Tia X sẽ đến từ khí bị sốc trong Dải Ngân hà chứ không phải từ chính máy bay phản lực.) Ellen Zweibel và Mateusz Ruszkowski, cô ấy bắt đầu xây dựng một mô hình máy tính. Kết quả, xuất bản năm Vật lý thiên văn tự nhiên mùa xuân vừa qua, không chỉ tái tạo hình dạng của các bong bóng quan sát được và mặt trước chấn động sáng, mà còn dự đoán rằng chúng hình thành trong quá trình 2.6 triệu năm (mở rộng ra bên ngoài từ một máy bay phản lực đã hoạt động trong 100,000 năm) - quá nhanh để có thể được giải thích bởi phản hồi xuất sắc.
Phát hiện cho thấy rằng phản hồi AGN có thể quan trọng hơn nhiều trong các thiên hà đĩa chạy như Dải Ngân hà so với các nhà nghiên cứu từng nghĩ. Yang nói, bức tranh đang nổi lên giống với bức tranh của một hệ sinh thái, nơi AGN và phản hồi của sao đan xen với nhau với khí nóng khuếch tán bao quanh các thiên hà, được gọi là môi trường vòng thiên hà. Các hiệu ứng và kiểu dòng chảy khác nhau sẽ chiếm ưu thế trong các loại thiên hà khác nhau và tại các thời điểm khác nhau.
Một nghiên cứu điển hình về quá khứ và hiện tại của Dải Ngân hà có thể tiết lộ tác động qua lại của các quá trình này. Ví dụ, kính viễn vọng không gian Gaia của châu Âu đã lập bản đồ vị trí và chuyển động chính xác của hàng triệu ngôi sao trong Dải Ngân hà, cho phép các nhà vật lý thiên văn tìm lại lịch sử hợp nhất của nó với các thiên hà nhỏ hơn. Những sự kiện hợp nhất như vậy đã được giả thuyết để kích hoạt các lỗ đen siêu lớn bằng cách lắc vật chất vào chúng, khiến chúng đột ngột sáng lên và thậm chí phóng máy bay phản lực. Quataert nói: “Có một cuộc tranh luận lớn trong lĩnh vực này là liệu việc sáp nhập có quan trọng hay không. Dữ liệu sao Gaia gợi ý rằng Dải Ngân hà không trải qua sự hợp nhất vào thời điểm bong bóng Fermi và eROSITA hình thành, làm mất tác dụng của sự hợp nhất là nguyên nhân của phản lực AGN.
Ngoài ra, các đốm khí có thể chỉ xảy ra va chạm với lỗ đen và kích hoạt nó. Nó có thể chuyển đổi một cách hỗn loạn giữa ăn uống, thở ra năng lượng khi phản lực và gió thiên hà, và tạm dừng.
Hình ảnh gần đây của Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện về Nhân mã A *, cho thấy sự nhỏ giọt hiện tại của vật chất vô nghĩa, đưa ra một câu đố mới cần giải. Các nhà vật lý thiên văn đã biết rằng không phải tất cả khí được hút vào một thiên hà sẽ đến chân trời lỗ đen, vì gió thiên hà đẩy ra bên ngoài chống lại dòng bồi tụ này. Nhưng sức mạnh của những cơn gió cần thiết để giải thích một dòng chảy cực nhỏ như vậy là không thực tế. Narayan nói: “Khi tôi mô phỏng, tôi không thấy một cơn gió lớn. "Đó không phải là loại gió bạn cần để giải thích đầy đủ về những gì đang xảy ra."
Mô phỏng lồng nhau
Một phần của thách thức trong việc hiểu cách hoạt động của các thiên hà là sự khác biệt rất lớn giữa quy mô chiều dài khi chơi ở các ngôi sao và lỗ đen và quy mô của toàn bộ thiên hà và môi trường xung quanh chúng. Khi mô phỏng một quá trình vật lý trên máy tính, các nhà nghiên cứu chọn một thang đo và bao gồm các hiệu ứng có liên quan ở thang đó. Nhưng trong các thiên hà, các hiệu ứng lớn và nhỏ tương tác với nhau.
Narayan nói: “Hố đen thực sự rất nhỏ so với thiên hà lớn, và bạn không thể đặt tất cả chúng trong một mô phỏng giống như con người. "Mỗi chế độ cần thông tin từ người kia, nhưng không biết làm thế nào để tạo ra mối liên hệ."
Để cố gắng thu hẹp khoảng cách này, Narayan, Natarajan và các đồng nghiệp đang khởi động một dự án sẽ sử dụng các mô phỏng lồng nhau để xây dựng một mô hình nhất quán về cách khí chảy qua Dải Ngân hà và thiên hà đang hoạt động gần đó Messier 87. “Bạn cho phép thông tin đến từ thiên hà để cho lỗ đen biết phải làm gì, và sau đó bạn cho phép thông tin từ lỗ đen quay trở lại và cho thiên hà biết phải làm gì, ”Narayan nói. "Đó là một vòng lặp đi vòng lại và vòng và vòng."
Các mô phỏng sẽ giúp làm rõ mô hình dòng chảy của khí khuếch tán trong và xung quanh các thiên hà. (Các quan sát sâu hơn về môi trường chu vi bằng Kính viễn vọng Không gian James Webb cũng sẽ giúp ích.) “Đó là một phần quan trọng của toàn bộ hệ sinh thái này,” Quataert nói. "Làm thế nào để bạn đưa khí xuống lỗ đen để đẩy tất cả năng lượng đi ngược lại?"
Điều quan trọng là, trong chương trình mới, tất cả các đầu vào và đầu ra giữa các mô phỏng của các thang đo khác nhau phải nhất quán, để ít quay số hơn. Narayan cho biết: “Nếu mô phỏng được thiết lập đúng cách, nó sẽ tự quyết định lượng khí sẽ đến lỗ đen một cách nhất quán. “Chúng ta có thể nhìn vào nó và hỏi: Tại sao nó không ăn hết xăng? Tại sao nó lại quá cầu kỳ và tốn quá ít xăng sẵn có? ” Nhóm hy vọng sẽ tạo ra một loạt ảnh chụp nhanh về các thiên hà trong các giai đoạn tiến hóa khác nhau của chúng.
Hiện tại, nhiều điều về các hệ sinh thái thiên hà này vẫn còn là một linh cảm. Yang nói: “Đó thực sự là một kỷ nguyên mới, nơi mọi người bắt đầu nghĩ về những kịch bản chồng chéo này. "Tôi không có câu trả lời rõ ràng, nhưng tôi hy vọng tôi sẽ làm được trong một vài năm nữa."
Ghi chú của biên tập viên: Priya Natarajan hiện đang phục vụ trong ban cố vấn khoa học của Quanta.
