Lỗ đen chỉ có kích cỡ to hoặc nhỏ

Đôi khi lỗ đen giống như con mãnh thú vũ trụ khổng lồ có khối lượng lớn gấp hàng tỉ lần mặt trời của chúng ta. Đôi khi nó lại nhỏ bé, gấp mặt trời chỉ vài lần. Nhưng liệu có lỗ đen mang kích cỡ trung bình hay không? Một nghiên cứu mới cho thấy câu trả lời là không.

Các phi hành gia từ lâu đã nhờ rằng nơi có khả năng cao nhất tìm được lỗ đen có khối lượng trung bình chính là ở trung tâm của một vật thể giống dải ngân hà thu nhỏ gọi là quần tinh cầu. Nhưng cho đến nay vẫn chưa có ai tìm ra được nó.

Một nhóm phi hành gia đã xem xét kỹ lượng quần tinh cầu có tên RZ2109 và xác định được rằng nó không có lỗ đen có khối lượng trung bình. Phát hiện này cho thấy lỗ đen trung bình khó nắm bắt không lẩn quất trong các quần tinh cầu, có lẽ chúng cực kì hiếm.

Daniel Stern thuộc Phòng thí nghiệm phản lực (NASA) tại Paradena, California cho biết: “Một số giả thuyết cho rằng các lỗ đen kích cỡ nhỏ trong các quần tinh cầu chìm vào phần trung tâm và hình thành nên một lỗ đen kích cỡ trung bình, nhưng phát hiện của chúng tôi chứng minh điều này không đúng”. Stern là tác giả thứ hai của nghiên cứu công bố trên số ra ngày 20 tháng 8 tờ Astrophysical Journal. Tác giả chính là Stephen Zepf thuộc đại học bang Michigan, East Lansing.

Lỗ đen là nơi tập trung vật chất cực kì đậm đặc, lực hút của nó mạnh đến nỗi ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra. Lỗ đen có khối lượng nhỏ được được phát hiện lớn hơn mặt trời khoảng 10 lần, nó được hình thành khi các ngôi sao lớn bùng nổ trong vụ nổ siêu tân tinh. Lỗ đen nặng nhất có khối lượng lớn hơn khối lượng của mặt trời hàng tỉ lần, nó nằm sâu tận trung tâm của hầu hết các dải ngân hà.

Còn lại các lỗ đen có khối lượng trung bình, người ta nghĩ rằng chúng bị chôn giấu ở trung tâm của các quần tinh cầu. Quần tinh cầu là tập hợp dày đặc hàng triệu ngôi sao cư trú trong các dải ngân hà có chứa hàng trăm tỷ ngôi sao. Các nhà lý luận cho rằng một quần tinh cầu nên có một phiên bản giảm quy mô xuống còn lỗ đen thiên hà. Các vật thể như thể có khối lượng lớn hơn khối lượng mặt trời khoảng 1.000 đến 10.000 lần, hay nói cách khác nó có kích cỡ trung bình so với kích cỡ của các lỗ đen trong vũ trụ. Trong một nghiên cứu trước đó, Zepf cùng với các cộng sự đã đi tìm bằng chứng về lỗ đen trong quần tinh cầu RZ2109, nằm cách thiên hà gần đó 50 triệu năm ánh sáng. Nhờ sử dụng kính viễn vọng XMM-Newton của Cơ quan vũ trụ Châu Âu (cái tên là chữ viết tắt của thiết kế X-ray Multi-Mirror), họ đã phát hiện được tín hiệu tia X phát ra của một lỗ đen đang hoạt động. Nhưng lúc đó họ vẫn chưa biết được kích cỡ của nó. 

Cho đến bây giờ, các phi hành gia vẫn ngờ rằng các cụm hình cầu giống như trên ảnh là những nơi có thể tìm ra lỗ đen có kích cỡ trung bình. Chúng là những vật thể rất khó có thể phát hiện được. Các quần tinh cầu là tập hợp các ngôi sao chuyển động xung quanh các thiên hà lớn hơn như dải ngân hà Milky Way của chúng ta. Các nhà khoa học đã tiến hành phân tích một quần tinh cầu có tên RZ2109 và phát hiện nó không chứa lỗ đen kích cỡ trung bình. RZ2109 nằm xa hơn quần tinh cầu trong ảnh mang tên Omega Centauri. (Ảnh: NASA/JPL-Caltech/ NOAO/AURA/NSF)

Zepf và Stern sau đó đã lập nhóm nghiên cứu với những người khác để có được quang phổ hóa học của quần tinh cầu bằng cách sử dụng Đài quan sát W.M Keck tại Mauna Kea, Ha-oai. Quang phổ tiết lộ lỗ đen phát hiện được rất nhỏ, chỉ lớn hơn khối lượng của mặt trời có 10 lần.

Theo giả thuyết, quần tinh cầu có chứa một lỗ đen nhỏ không thể có được một lỗ đen trung bình. Lỗ đen trung bình khá nặng với lực hút tương đối lớn, nên nếu nó có thực sự tồn tại trong quần tinh cần, nó sẽ nhanh chóng hút bất cứ lỗ đen nhỏ nào về phía nó.

Stern cho biết: “Nếu một lỗ đen trung bình có tồn tại trong quần tinh cầu, hoặc nó sẽ nuốt chửng các lỗ đen nhỏ hoặc sẽ đá bay chúng ra khỏi quần tinh cầu”. Nói cách khác, lỗ đen nhỏ trong quần tinh cầu RZ2109 đã loại bỏ khả năng tồn tại một lỗ đen trung bình.

Làm cách nào mà cách nhà khoa học có thể phát hiện được ra lỗ đen trong quần tinh cầu có kích cỡ nhỏ ngay lập tức? Nhờ sử dụng kỹ thuật mô hình, Zepf cùng các cộng sự đã kết luận rằng quang phổ thu được tiết lộ các dòng chảy vật chất với vận tốc cao, hay còn gọi là gió, tuôn ra từ lỗ đen. Chỉ có các lỗ đen nhỏ mới tuôn ra những cơn gió mạnh quan sát được như thế.

Zepf giải thích: “Từ dữ liệu tia X, chúng tôi biết được rằng lỗ đen này đang nuốt các vật chất. Nếu một lỗ đen trung bình nuốt vật chất, thì đó sẽ là một món hời lớn với nó. Nhưng với lỗ đen nhỏ thì lại khác, với nó là quá nhiều do đó một số vật chất sẽ bị thải ra dưới dạng luồng gió vận tốc cao. Các luồng gió vận tốc cao chính là bằng chứng chứng minh lỗ đen đó là loại nhỏ”.

Liệu đây có phải là phần kết của câu chuyện về các lỗ đen trung bình? Theo Zeft, có thể chúng đang lẩn quất đâu đó bên ngoài các dải ngân hà như dải ngân hà Milky Way của chúng ta; hoặc ở các thiên hà lùn, cũng có thể là ở phần tàn dư của các thiên hà lùn đã bị thiên hà lớn hơn thôn tính. Nếu đúng như thế, lỗ đen có kích cỡ trung bình rất mờ nhạt và khó phát hiện thấy.

Các tác giả khác của nghiên cứu bao gồm: Thomas Maccarone thuộc đại học Southampton, Anh Quốc; Arunav Kundu thuộc đại học bang Michigan; Marc Kamionkowski thuộc Viện công nghệ California, Pasadena; Katherine Rhode và John Salzer thuộc đại học Indiana, Bloomington; cùng với Robin Ciardullo và Caryl Gronwall thuộc đại học bang Penn, đại học Park, Pa. Salzer cũng đồng thời làm việc tại đại học Wesleyan, Middleton, Conn.