Trái đất và mặt trời sẽ quay và Dải Ngân hà sẽ quay. Vậy lỗ đen có quay tròn không? Vấn đề khiến các nhà vật lý đau đầu hơn 50 năm này gần đây đã được giải quyết nhờ một nhóm hợp tác quốc tế do một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc dẫn đầu. Họ không chỉ tính toán được chu kỳ tiến động của các dòng tia của thiên hà M87 là khoảng 11 năm, phá vỡ ấn tượng trước đó rằng hướng của các dòng tia M87 không thay đổi, họ còn thu được bằng chứng mạnh mẽ nhất về vòng quay của lỗ đen.


Vào đêm khuya ngày 27 tháng 9, tạp chí học thuật quốc tế hàng đầu "Nature" đã công bố trực tuyến khám phá bom tấn này. Trong mô phỏng hoạt hình, lỗ đen M87 quay tròn như một con tàu sắp dừng lại, đung đưa và quay tròn trong vũ trụ sâu thẳm. Mặc dù tất cả những điều này dường như không liên quan gì đến nhu cầu cơ bản hiện tại của con người, nhưng có lẽ con người sẽ nhớ lại khoảnh khắc này khi họ thực hiện chuyến du hành giữa các vì sao trong tương lai.

Một số cảm hứng khám phá kích hoạt dữ liệu "bất thường"

Trong vũ trụ rộng lớn, có những lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của các thiên hà đang hoạt động. Thiên thể bí ẩn được Einstein dự đoán cách đây gần một trăm năm này cuối cùng đã được chụp ảnh bóng lần đầu tiên vào năm 2019.

Khối lượng và spin là hai thông số cơ bản của lỗ đen. Hiện nay, có những phương pháp hoàn thiện để ước tính khối lượng của lỗ đen, nhưng liệu lỗ đen có quay hay không vẫn còn là một điều bí ẩn.

Năm 1963, về mặt lý thuyết, các nhà thiên văn học đã chứng minh sự tồn tại của vòng quay lỗ đen. Việc phát hiện ra sóng hấp dẫn vào năm 2016 cung cấp bằng chứng gián tiếp về hiện tượng "lỗ đen quay" - khi hai lỗ đen quay tròn và hợp nhất, chúng sẽ kéo theo không gian và thời gian xung quanh, gây ra "những gợn sóng không-thời gian" của sóng hấp dẫn.

Vậy, làm thế nào chúng ta có thể có được bằng chứng trực tiếp hơn về chuyển động quay của lỗ đen? Vào năm 2017, khi Cui Yuzhu, người đang học tiến sĩ tại Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản/Đại học sau đại học Nhật Bản, đang xử lý dữ liệu tia của mạng quan sát Giao thoa đường cơ sở rất dài Đông Á (VLBI) trên lỗ đen trung tâm của thiên hà M87, anh đã phát hiện ra rằng cấu trúc phản lực của M87 vào năm 2017 đã chỉ theo một hướng khác so với cấu trúc trước đó.


▲Cấu trúc máy bay phản lực M87 được sáp nhập hai năm một lần từ 2013 đến 2020 (dải tần quan sát là 43GHz). Năm tương ứng được hiển thị ở góc trên bên trái. Các mũi tên màu trắng chỉ hướng của trục tia trong mỗi hình con (biểu thị các góc vị trí tia khác nhau). (YuzhuCuietal.2023)

Khi vật chất xung quanh lỗ đen bị lỗ đen hút vào, nó sẽ phát ra ánh sáng cực sáng và trông giống như một đĩa phẳng sáng bóng, gọi là đĩa bồi tụ. Sau khi vật chất bị hút vào lỗ đen, xung lượng góc khổng lồ mà chúng mang theo cuối cùng bị đẩy ra khỏi lỗ đen dưới dạng tia. Điều này làm cho các lỗ đen, đĩa bồi tụ và các tia phản lực trông giống như các đỉnh vũ trụ khổng lồ.

"Dòng tia lỗ đen của M87 rất sáng và dài 5.000 năm ánh sáng. Trước đây, mọi người luôn cho rằng góc phản lực của nó là không đổi." Cui Yuzhu cho biết, nhưng một số dữ liệu cho thấy góc phản lực thực sự khác với những gì đã biết trước đây.

"Đây có phải là lỗi quan sát hay nó có nghĩa là tia đang quay?" Với câu hỏi này, Cui Yuzhu đã hỏi khoảng 170 dữ liệu quan sát lỗ đen M87 từ Mạng quan sát VLBI quốc tế từ năm 2000 đến năm 2022 và nhận thấy rằng góc của nó thực sự thay đổi liên tục.

Do đó, hơn 70 đồng nghiệp từ 45 tổ chức ở 10 quốc gia trên thế giới đã làm việc với Cui Yuzhu để tổ chức, phân tích và mô phỏng dữ liệu liên quan. Sau sáu năm làm việc chăm chỉ, cuối cùng họ đã xác định được rằng máy bay phản lực M87 sẽ quay quanh một "trục vô hình" với thời gian khoảng 11 năm. Lỗ đen ở trung tâm M87 phải ở trạng thái quay tròn.

Lin Weikang, nhà nghiên cứu tại Viện Thiên văn Tây Nam Trung Quốc tại Đại học Vân Nam, cho biết thông qua việc khớp dữ liệu máy tính, những thay đổi định kỳ về hướng của dòng phản lực rất phù hợp với trục quay của lỗ đen. “Điều này trực tiếp chứng minh sự tồn tại của vòng quay của lỗ đen.”

Quan sát VLBI hàng thập kỷ đã mang lại sự tích lũy và tiến bộ

Trong vũ trụ mà con người biết đến, M87 là một thiên hà sao. Nó lớn, có khối lượng gấp khoảng 6,5 tỷ lần khối lượng mặt trời; nó ở gần trái đất, chỉ cách 55 triệu năm ánh sáng, khiến nó trở thành một trong những vật thể tốt nhất để các nhà thiên văn quan sát. Ngay từ năm 1918, người ta đã phát hiện ra dòng phản lực của M87, trở thành thiên thể đầu tiên trong vũ trụ phát hiện ra dòng phản lực.

Kể từ đó, máy bay phản lực M87 đã trở thành đối tượng quan sát của các kính viễn vọng vô tuyến lớn trên trái đất. Đặc biệt sau khi mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến toàn cầu thiết lập mạng quan sát VLBI, độ chính xác của dữ liệu quan sát M87 tiếp tục được cải thiện. Dữ liệu được sử dụng trong nghiên cứu này có khoảng thời gian lớn nhất và lượng dữ liệu lớn nhất trong mạng quan sát VLBI.


▲Các kính thiên văn tham gia trong bài viết này được phân phối trong mạng quan sát ĂN bao gồm Mạng VLBI Đông Á và kính viễn vọng vô tuyến của Ý/Nga (YuzhuCuietal.2023, IntouchableLab@ Openverse và Phòng thí nghiệm Zhijiang)

"Dữ liệu quan trọng được phát hiện lần này chủ yếu được hưởng lợi từ việc cải thiện độ chính xác của mạng VLBI Đông Á và Kính viễn vọng Tianma ở Sheshan, Thượng Hải và kính viễn vọng vô tuyến 26 mét ở Nanshan, Tân Cương đã đóng góp dữ liệu chính." Cui Yuzhu nói với các phóng viên rằng có tổng cộng 26 đồng nghiệp trong nước đã tham gia vào nghiên cứu này.

Ngay từ năm 1986, Đài thiên văn Thượng Hải đã chế tạo kính viễn vọng vô tuyến Sheshan 25 mét, trở thành thành viên tập đoàn của Mạng lưới VLBI Châu Âu vào năm 1991 và tham gia quan sát Mạng lưới VLBI quốc tế vào năm 1998. Năm 2017, Kính thiên văn Tianma 65 mét đã được hoàn thành và gia nhập mạng lưới VLBI quốc tế. Shen Zhiqiang, Giám đốc Đài thiên văn Thượng Hải thuộc Viện Khoa học Trung Quốc, cho biết do độ nhạy cao của kính thiên văn Tianma, khả năng quan sát của toàn bộ mạng lưới đã được cải thiện, "đặc biệt là chất lượng hình ảnh của mạng quan sát VLBI Đông Á đã được cải thiện khoảng 50%".

Kính thiên văn Nanshan của Đài thiên văn Tân Cương đã mở rộng đường kính mạng của Mạng quan sát VLBI Đông Á từ 3.000 km lên 5.000 km do vị trí địa lý độc đáo của nó. Cui Lang, nhà nghiên cứu tại Đài quan sát Tân Cương thuộc Viện Khoa học Trung Quốc, cho biết kính viễn vọng vô tuyến đường kính 26 mét này đã gia nhập mạng lưới VLBI Đông Á vào năm 2017 và dành 300 giờ cho các quan sát liên quan mỗi năm.

Chỉ hai tuần trước, việc xây dựng kính viễn vọng vô tuyến 40 mét Shigatse của Đài thiên văn Thượng Hải đã bắt đầu và kính viễn vọng vô tuyến 110 mét của Đài thiên văn Tân Cương Qitai cũng đang được xây dựng. Shen Zhiqiang cho biết: "Trong tương lai, sự kết hợp của những ngôi sao đang lên này sẽ nâng cao hơn nữa khả năng quan sát và giúp các nhà thiên văn học khám phá thêm nhiều bí ẩn của vũ trụ."

Mở một cột mốc mới trong nghiên cứu chuyên sâu về spin lỗ đen

Trước đây, các quan sát quanh năm của Mảng đường cơ sở rất dài (VLBA) của Hoa Kỳ đối với máy bay phản lực M87 đã giúp mọi người hiểu được rất nhiều tính chất vật lý của M87. Họ cho rằng đã đủ hiểu biết về M87 nên dần dần hủy bỏ thời gian quan sát và chuyển sang các mục tiêu quan sát khác. Phát hiện của các nhà khoa học Trung Quốc đã thúc đẩy họ nối lại kế hoạch giám sát dài hạn đối với máy bay phản lực M87.

Trong hoạt ảnh mô phỏng, giả sử hướng quay của lỗ đen M87 vuông góc với mặt đất, đĩa bồi tụ của nó giống như một con quay hồi chuyển tạo thành một góc nhất định với mặt đất, và trục con quay chuyển động là một tia dài 5.000 năm ánh sáng. Tuy nhiên, không giống như con quay hồi chuyển, tâm chuyển động của đĩa bồi tụ là lỗ đen ở trung tâm của nó.

“Đây là một kết quả rất đẹp và rõ ràng, đồng thời cũng là một khám phá rất cơ bản và quan trọng.” Lai Dong, giáo sư tại Đại học Cornell ở Hoa Kỳ và Giáo sư thỉnh giảng Tsung-Dao Lee tại Viện Tsung-Dao Lee của Đại học Giao thông Thượng Hải, đã đề cập rằng cả Ý và Hoa Kỳ đều đã phóng vệ tinh để phát hiện cụ thể hiệu ứng kéo không-thời gian của các thiên thể, nhưng họ đã không thành công. “Bằng chứng về sự tồn tại của spin lỗ đen sẽ mang lại tiến bộ đáng kể cho nghiên cứu về hiệu ứng này.”

Hiện nay, Cui Yuzhu là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Zhijiang. Bà cho rằng sau khi có được bằng chứng thuyết phục nhất về sự quay của lỗ đen, vẫn còn hàng loạt câu hỏi cần nghiên cứu sâu hơn: Tốc độ quay của lỗ đen M87 là bao nhiêu? Vòng quay của lỗ đen có phổ quát không? Ngoại lực điều khiển vòng quay của lỗ đen đến từ đâu? Ngoài ra, spin rất có thể là chìa khóa cho việc tạo ra các tia vật chất của lỗ đen, vậy liệu điều này có mang lại một góc nhìn mới cho việc nghiên cứu cơ chế của các dòng vật chất trong lỗ đen? Tất cả những điều này đang chờ cô và nhiều đồng nghiệp tìm ra câu trả lời.