Phát hiện cặp hố đen siêu nặng có thể hợp nhất trong 100 năm tới

Nghiên cứu do bà Silke Britzen thuộc Viện Thiên văn vô tuyến Max Planck (Đức) dẫn đầu đã phát hiện những hình ảnh cho thấy có thể tồn tại hai hố đen siêu nặng tại trung tâm thiên hà Mrk 501.

Kết quả nghiên cứu đã được chấp nhận đăng trên tạp chí Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Phát hiện hố đen thứ 2 

Các nhà khoa học từ lâu đã biết hố đen ở trung tâm thiên hà Mrk 501 phóng ra một luồng hạt vật chất vào không gian với tốc độ gần bằng ánh sáng. Khi phân tích dữ liệu quan sát bằng sóng vô tuyến trong suốt 23 năm, nhóm nghiên cứu phát hiện thêm một luồng vật chất thứ hai và theo dõi được chuyển động của luồng này.

• 

  Lần đầu quan sát hiện tượng Stephen Hawking dự đoán về lỗ đen

Phát hiện này cho thấy có thể tồn tại hai hố đen siêu nặng tại trung tâm thiên hà Mrk 501. Tuy nhiên, chúng ở quá gần nhau nên các nhà khoa học chưa thể quan sát tách biệt từng hố đen.

"Chúng tôi đã tìm kiếm hiện tượng này trong thời gian dài, nhưng rồi hoàn toàn bất ngờ khi không chỉ nhìn thấy luồng vật chất thứ hai mà còn có thể theo dõi chuyển động của nó", bà Britzen cho biết.

Luồng vật chất thứ nhất hướng về phía Trái đất nên sáng hơn và dễ quan sát hơn. Trong khi đó, luồng thứ hai hướng sang phía khác nên khó phát hiện hơn.

Qua các quan sát trong vài tuần, nhóm nghiên cứu nhận thấy luồng vật chất thứ hai liên tục thay đổi vị trí. Luồng này dường như xuất hiện từ phía sau hố đen lớn hơn rồi di chuyển ngược chiều kim đồng hồ quanh nó. Chuyển động lặp lại cho thấy hai hố đen có thể đang quay quanh nhau theo một quỹ đạo nhất định.

Có thể hợp nhất trong 100 năm

Tháng 6-2022, nhóm nghiên cứu ghi nhận một hiện tượng bất thường: ánh sáng từ hệ thống dường như tạo thành một vòng sáng. Đây có thể là vòng Einstein, hình thành khi lực hấp dẫn của hố đen phía trước bẻ cong ánh sáng phát ra từ luồng vật chất phía sau, khiến ánh sáng có hình dạng như một chiếc vòng.

Dựa vào chuyển động của các luồng vật chất và sự thay đổi độ sáng, nhóm nghiên cứu ước tính hai hố đen quay quanh nhau hết một vòng trong khoảng 121 ngày.

Hai hố đen cách nhau khoảng 250 - 540 lần khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời. Mỗi hố đen được ước tính có khối lượng từ 100 triệu đến 1 tỉ lần khối lượng Mặt trời. Với khoảng cách gần như vậy, chúng có thể hợp nhất thành một hố đen duy nhất chỉ trong khoảng 100 năm tới, tùy thuộc vào khối lượng thực tế của chúng.

Tuy nhiên, do thiên hà Mrk 501 nằm quá xa Trái đất, các thiết bị quan sát hiện nay, kể cả Kính thiên văn Chân trời sự kiện (EHT), chưa thể chụp ảnh riêng từng hố đen hoặc theo dõi trực tiếp khoảng cách giữa chúng đang thu hẹp dần.

Các nhà khoa học có thể nghiên cứu cặp hố đen này bằng cách tìm kiếm sóng hấp dẫn, những gợn sóng làm biến dạng không-thời gian, được tạo ra khi các vật thể có khối lượng lớn quay quanh nhau.

Cặp hố đen tại Mrk 501 được dự đoán tạo ra sóng hấp dẫn có tần số rất thấp. Các nhà khoa học có thể tìm kiếm tín hiệu này bằng mạng lưới định thời sao xung (PTA), thông qua việc đo những thay đổi rất nhỏ về thời gian các tín hiệu vô tuyến từ những sao neutron quay nhanh đến Trái đất.

Nếu phát hiện được sóng hấp dẫn từ Mrk 501, các nhà khoa học có thể xác định rõ hơn sự thay đổi quỹ đạo của cặp hố đen và đánh giá liệu chúng có đang tiến gần đến giai đoạn hợp nhất hay không.

Khi hai hố đen hợp nhất, chúng tạo thành một hố đen lớn hơn và giải phóng một phần khối lượng dưới dạng năng lượng sóng hấp dẫn.

Theo Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO), trong sự kiện được phát hiện năm 2015, hai hố đen có khối lượng lần lượt khoảng 36 và 29 lần khối lượng Mặt trời đã hợp nhất thành một hố đen mới nặng khoảng 62 lần khối lượng Mặt trời.

Phần khối lượng chênh lệch tương đương khoảng ba lần khối lượng Mặt trời được giải phóng dưới dạng sóng hấp dẫn chỉ trong một phần nhỏ của giây.

Lần đầu tiên, các nhà khoa học thu được dữ liệu từ khu vực sát chân trời sự kiện - ranh giới mà ngay cả ánh sáng cũng không thể vượt qua.