Tìm thấy một loại hố đen mới, ẩn mình trong cụm sao dày đặc

Các nhà nghiên cứu vừa cho biết, đã tìm thấy bằng chứng của một loại hố đen mới, có khối lượng gấp 2.200 lần so với Mặt Trời, nằm ẩn mình trong một cụm sao dày đặc.

Hố đen là một trong những vật thể bí ẩn nhất trong vũ trụ. Các hố đen đều rơi vào hai loại: một là các hố đen nhỏ với khối lượng chỉ nặng hơn vài lần so với Mặt Trời; hai là các hố đen siêu khổng lồ với khối lượng tương đương hàng triệu tỷ Mặt Trời.

Nhưng mới đây, các nhà nghiên cứu vừa cho biết đã tìm thấy một loại hố đen mới, được gọi là "hố đen khối lượng trung bình", khối lượng của các hố đen trong loại này gấp 2.200 lần so với Mặt Trời, và chúng thường nằm ẩn trong các cụm sao dày đặc.

Trước đây, các nhà nghiên cứu cũng đã dự đoán về sự tồn tại của các hố đen khối lượng tầm trung, nhưng họ chỉ ước tính khối lượng của nó vào khoảng 100 đến 1.000 lần Mặt Trời. Nhưng mới đây họ đã quan sát thực tế thấy một hố đen trong nhóm này.

Các hố đen tầm trung giữ manh mối quan trọng về cách các hố đen siêu khổng lồ tại trung tâm các thiên hà trở nên to lớn như thế, vấn đề này vốn vẫn chưa giải thích được dựa vào những hiểu biết của chúng ta về vật lý.

Loại hố đen mới vừa được phát hiện có thể giải đáp những bí ẩn về các hố đen siêu khổng lồ. (Ảnh minh họa: CfA/M. Weiss).

"Chúng tôi muốn tìm ra những hố đen có khối lượng trung bình, vì chúng là viên gạch nối giữa những hố đen nhỏ và những hố đen siêu khổng lồ. Chúng có thể là những hố đen nguyên thủy trước khi phát triển thành những con quái vật khổng lồ nằm tại tâm thiên hà mà chúng ta thấy ngày nay", nghiên cứu trưởng Bulent Kiziltan tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian cho biết.

Hố đen tầm trung mới được phát hiện nằm ẩn mình trong một cụm sao cầu được gọi là 47 Tucanae. Cụm sao này nằm cách Trái Đất 13.000 năm ánh sáng, ở phía nam chòm sao Tucana (Đỗ Quyên).

Cụm sao 47 Tucanae chứa hàng ngàn ngôi sao cùng khoảng hai mươi pulsar (tàn dư của những ngôi sao đã chết) trong một không gian hình cầu có đường kính chỉ khoảng 120 năm ánh sáng. Các nhà nghiên cứu từ lâu vẫn tìm kiếm về sự tồn tại của một hố đen bên trong lõi của cụm sao này.

Hố đen được hình thành nên khi ngôi sao sụp đổ vào bên trong của chính mình, là lúc kết thúc cuộc đời của ngôi sao đó. Lúc này, toàn bộ vật chất của ngôi sao bị sụp đổ và dồn nén vào bên trong, khiến mật độ vật chất trở nên dày đặc.

Thông thường các nhà khoa học phát hiện hố đen bằng cách quan sát qua ánh sáng tia X, khi chúng đang nuốt vật chất, những dòng vật chất sẽ chạy từ một thiên thể bị nuốt và cuộn vào quanh đĩa của nó.

Nhưng một hố đen trong cụm sao cầu thì khác, chúng rất khó để bắt gặp bởi vì lực hấp dẫn của chúng rất lớn, khiến việc nuốt vật chất diễn ra nhẹ nhàng mà không để lọt bất cứ tia sáng nào ra ngoài.

Ngoài ra, phương pháp này chỉ thực hiện được khi các hố đen nuốt vật chất tại một khu vực đầy khí bụi. Cụm sao 47 Tucanae không có khí bụi, nên dù hố đen có ăn uống một cách đầy bạo lực thì chúng ta vẫn không thể phát hiện được.

Sau đó, các nhà khoa học đặt ra một phương pháp khác để phát hiện được hố đen này, là việc xem xét tác động của hố đen lên những ngôi sao gần đó. Phương pháp này cũng được sử dụng để tìm kiếm những hố đen nằm tại tâm các thiên hà. Tuy vậy, vùng trung tâm của 47 Tucanae là quá đông đúc, khiến phương pháp không khả thi.

"Những hố đen tầm trung được chúng tôi dự đoán trong suốt nhiều thập kỷ, nhưng chúng tôi vẫn chưa có một quan sát nào thực sự đáng thuyết phục", Kiziltan cho biết thêm.

Trong một nghiên cứu mới nhất, nhóm nghiên cứu đã dùng hai cách tiếp cận khác nhau để thâu tóm được loại hố đen mới này. Đầu tiên, họ theo dõi chuyển động tổng thể của các ngôi sao trong toàn bộ cụm sao chứ không chỉ theo dõi riêng một hoặc hai ngôi sao cụ thể.

Cụm sao 47 Tucanae chứa hàng ngàn ngôi sao cùng khoảng hai mươi pulsar.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng, đã có thứ gì đó như một cái muỗng khổng lồ trong vũ trụ, khuấy đều nồi súp lớn là các ngôi sao, khiến chúng chuyển động cao hơn và có khoảng cách dần xa hơn. Lời giải thích khả dĩ nhất cho trường hợp này chính là một hố đen.

Sau đó, họ quan sát về những pulsar trong cụm sao. Pulsar là tàn dư của những ngôi sao đã chết, phóng những vụ nổ lớn vào vũ trụ ở dạng tín hiệu vô tuyến. Các pulsar trong 47 Tucanae cũng trở nên kỳ lạ so với những pulsar ở các cụm sao khác, và điều khiến chúng trở nên như thế là do có một hố đen nằm giữa chúng.

Thực hiện mô phỏng trên máy tính, các nhà nghiên cứu đã tính toán được rằng cụm sao này phải chứa một hố đen có khối lượng trung bình. Hố đen này có khối lượng vào khoảng 2.200 lần khối lượng Mặt Trời đã bao gồm sai số, với mức ít nhất là 1.400 lần và cao nhất là 3.700 lần khối lượng Mặt Trời.

Các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm hiểu thêm về loại hố đen mới này để có được một cái nhìn rõ ràng về cách chúng hoạt động. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tìm thêm nhiều hố đen tầm trung khác trong vũ trụ, họ đã lên danh sách những cụm sao tiềm năng để tìm kiếm.

Vậy là chúng ta đã tiến gần hơn đến câu trả lời về những bí ẩn của hố đen siêu khổng lồ, hy vọng trong tương lai chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của những con quái vật nằm tại các tâm thiên hà này.