Dùng tiếng vang bức xạ tia X lập bản đồ hố đen vũ trụ

Tiếng vang bức xạ tia X giúp xác định các đặc tính vật chất bị hố đen nuốt chửng, môi trường khí xung quanh hố đen...

Vật chất khi rơi vào hố đen sẽ phóng tia X ra ngoài vũ trụ. Các nhà khoa học đã sử dụng tiếng vang của bức xạ tại X để lập bản đồ chuyển động môi trường xung quanh hố đen. Hầu hết các hố đen vũ trụ cách quá xa nên chúng ta khó xác định môi trường trực tiếp của chúng. Tuy nhiên vẫn có thể khám phá những vật thể bí ẩn này bằng cách xem vật chất sẽ như thế nào khi ở gần hoặc rơi vào hố đen.

Khi vật chất trôi về phía một lỗ đen, nó sẽ nóng lên và phát ra tia X, tương tác với các loại khí gần hố đen. Những vùng không gian này bị biến dạng do phản ứng mạnh dưới tác dụng lực hút của hố đen.

Mới đây, các nhà nghiên cứu đã sử dụng đài quan sát XMM-Newton của Cơ quan Vũ trụ Châu để theo dõi những tiếng vang tia X sau đó lập bản đồ xung quanh hố đen ở lõi của một thiên hà đang hoạt động. Thiên hà IRAS 13224-3809 là một trong những thiên hà chứa hố đen có nguồn tia X biến đổi nhiều nhất trong vũ trụ, xuất hiện những dao động rất lớn và nhanh về độ sáng chỉ trong vài giờ.

Thiên hà IRAS 13224-3809 là một trong những thiên hà chứa hố đen có nguồn tia X biến đổi nhất trong vũ trụ. (Ảnh: Sci-news).

Tiến sĩ William Alston từ Viện Thiên văn học Cambridge, tác giả chính của nghiên cứu giải thích, tiếng vang vũ trụ giống như nghe âm thanh khác nhau giữa trong lớp học và nhà thờ. Sự khác nhau về kiến trúc hình học và vật liệu xây dựng khiến âm thanh dội lại cũng khác nhau. "Tương tự, chúng ta có thể thu tiếng vang bức xạ tia X lan truyền trong vùng lân cận hố đen để định ra hình dạng của một vùng và trạng thái khối vật chất trước khi bị hố đen nuốt chửng", Alston nói.

Động lực các chất khí không có sự liên kết chặt chẽ với các tính chất của hố đen nên các nhà khoa học có thể xác định được khối lượng và độ xoáy của hố đen trung tâm thiên hà bằng cách quan sát các đặc tính của vật chất khi rơi vào trong hố đen.

Các vật chất sẽ tạo thành một đĩa khi rơi vào hố đen. Phía trên đĩa này là một vùng các electron nóng với nhiệt độ khoảng một tỷ độ C, được gọi là corona. Trong khi các nhà khoa học dự kiến thu tiếng vang tia X để lập bản đồ khu vực, họ phát hiện ra corona cũng thay đổi kích thước nhanh chóng chỉ trong vài ngày.

Alston nói: "Khi kích thước của corona thay đổi, tiếng vang của ánh sáng cũng giống như khi trần nhà thờ di chuyển lên xuống khiến âm thanh bị thay đổi theo. Khối lượng hố đen cố định nên bất kỳ thay đổi nào cũng ảnh hưởng môi trường khí".

Nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu quan sát lâu nhất về một lỗ đen từng được thực hiện với đài quan sát XMM-Newton, thu thập từ hơn 16 tàu vũ trụ trong năm 2011 và 2016 với tổng cộng 2 triệu giây dữ liệu chỉ trong hơn 23 ngày. Kết hợp với sự biến động mạnh mẽ và nhanh chóng của hố đen giúp nhóm nghiên cứu mô hình hóa tiếng vang toàn diện trong khoảng thời gian dài.

Xác định khối lượng và độ xoáy của hố đen trung tâm thiên hà bằng cách quan sát các tính chất của vật chất khi rơi vào trong hố đen. (Ảnh: astronomy).

Tìm hiểu các đặc trưng môi trường xung quanh các hố đen là mục tiêu khoa học cốt lõi cho nhiệm vụ Athena của ESA thuộc Trung tâm thiên văn vũ trụ châu Âu. Dự kiến vào đầu năm 2030 sẽ tiết lộ những bí mật của vũ trụ chưa từng công bố.

Đo khối lượng, tốc độ quay và tốc độ bồi tụ của một hố đen lớn là chìa khóa giúp giới khoa học tìm hiểu sâu về lực hấp dẫn trong vũ trụ. Ngoài ra, do các hố đen siêu lớn liên kết chặt chẽ với các đặc tính của thiên hà chủ, nghiên cứu này cũng cung cấp nhiều thông tin về sự hình thành và phát triển của các thiên hà.