Sử dụng dữ liệu trong 20 năm từ kính viễn vọng vô tuyến trên khắp thế giới, các nhà nghiên cứu đã xác nhận chuyển động quay của thiên hà M87 bằng cách quan sát chuyển động của dòng tia lỗ đen siêu lớn của nó. Khám phá này đánh dấu một bước tiến lớn trong nghiên cứu lỗ đen. Lỗ đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà M87, nổi tiếng với bức ảnh đầu tiên về bóng của lỗ đen, đã tạo ra một lỗ đen đầu tiên khác: tia do lỗ đen phát ra đã được chứng minh là dao động, chứng minh trực tiếp rằng lỗ đen đang quay.

Sơ đồ của mô hình đĩa bồi tụ nghiêng. Trong sơ đồ này, trục quay của lỗ đen được coi là thẳng lên và xuống. Hướng tia gần như vuông góc với mặt phẳng của đĩa. Sự lệch trục giữa trục quay của lỗ đen và trục quay của đĩa gây ra sự nghiêng về phía trước của đĩa và các tia nước. Nguồn: Cui Yuzhu và cộng sự. (2023), IntouchableLab@Openverse và Phòng thí nghiệm Zhijiang

Hố đen siêu lớn là quái vật nặng gấp hàng tỷ lần mặt trời. Chúng nuốt chửng mọi thứ xung quanh, kể cả ánh sáng. Họ rất khó nghiên cứu vì không có thông tin nào có thể thoát ra khỏi bên trong. Về lý thuyết, có rất ít thuộc tính mà chúng ta có thể đo lường được. Một đặc tính có thể được quan sát là spin, nhưng do những khó khăn liên quan nên không có quan sát trực tiếp nào về spin của lỗ đen được thực hiện.

Hai mươi năm quan sát tìm thấy bằng chứng

Để tìm kiếm bằng chứng về sự quay của lỗ đen, một nhóm quốc tế đã phân tích dữ liệu quan sát của thiên hà M87 trong hơn hai thập kỷ. Thiên hà này nằm cách Xử Nữ 55 triệu năm ánh sáng. Nó chứa một lỗ đen có khối lượng lớn gấp 6,5 tỷ lần mặt trời. Hình ảnh bóng lỗ đen đầu tiên được Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT) chụp vào năm 2019 cũng chính là lỗ đen này. Như chúng ta đã biết, lỗ đen siêu lớn ở M87 có một đĩa bồi tụ và một tia phản lực. Cái trước gửi vật chất vào lỗ đen và cái sau đẩy vật chất ra khỏi vùng lân cận lỗ đen với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.

(ở trên) Cấu trúc tiêm M87 ở tần số 43GHz trung bình hai năm một lần từ năm 2013 đến năm 2018. Năm tương ứng được đánh dấu ở góc trên bên trái. Mũi tên trắng biểu thị góc vị trí tia trong mỗi hình con. (Dưới cùng) Sự phát triển được quan sát của hướng phản lực từ năm 2000 đến năm 2022. Các điểm màu lục và lam là từ dữ liệu quan sát ở tần số 22 và 43GHz tương ứng. Đường màu đỏ là đường cong hình sin phù hợp nhất với chu kỳ 11 năm. Nguồn: YuzhuCui và cộng sự. (2023)

Nhóm nghiên cứu đã phân tích 170 khoảng thời gian dữ liệu được thu thập bởi Mạng VLBI Đông Á (EAVN), Mảng đường cơ sở rất dài (VLBA), Mảng kết hợp KVN và VERA (KaVA) và mạng VLBI từ Đông Á đến Ý Gần toàn cầu (EATING). Hơn 20 kính thiên văn vô tuyến trên khắp thế giới đã đóng góp cho nghiên cứu này.

Kết quả và ý nghĩa nghiên cứu

Kết quả cho thấy tương tác hấp dẫn giữa đĩa bồi tụ và chuyển động quay của lỗ đen làm cho chân của dòng phản lực chao đảo hoặc nghiêng về phía trước, rất giống với lực hấp dẫn tương tác trong hệ mặt trời khiến Trái đất nghiêng về phía trước. Nhóm nghiên cứu đã liên kết thành công động lực học của dòng phản lực với lỗ đen siêu lớn ở trung tâm, cung cấp bằng chứng trực tiếp cho thấy lỗ đen thực sự đang quay. Sự thay đổi hướng của tia là khoảng 10 độ và chu kỳ lực đẩy về phía trước là 11 năm, phù hợp với mô phỏng lý thuyết siêu máy tính do Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản (NAOJ) ATERUIII thực hiện.

Cui Yuzhu, tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: "Chúng tôi rất vui mừng về khám phá quan trọng này". Cui Yuzhu là nghiên cứu sinh tại Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản và sau đó làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Chiết Giang. Do độ lệch giữa lỗ đen và máy đo thiên thể tương đối nhỏ và khoảng thời gian thực hiện là khoảng 11 năm, nên việc tích lũy dữ liệu có độ phân giải cao theo dõi cấu trúc của M87 trong hơn hai thập kỷ và tiến hành phân tích chuyên sâu là chìa khóa để đạt được điều này. Chìa khóa cho kết quả này. "

Tiến sĩ Kazuhiro Hada từ Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản giải thích:"Sau khi chụp ảnh thành công lỗ đen trong thiên hà này, liệu lỗ đen này có quay hay không là trọng tâm của các nhà khoa học. Giờ đây, sự mong đợi đã trở nên chắc chắn. "

Tiến sĩ Motoki Kino từ Đại học Kogakuin, điều phối viên của Nhóm công tác khoa học hạt nhân thiên hà hoạt động của mạng VLBI Đông Á, cho biết: "Đây là một cột mốc khoa học thú vị, cuối cùng đã được tiết lộ qua nhiều năm quan sát chung của một nhóm nhà nghiên cứu quốc tế từ 45 tổ chức trên khắp thế giới. Dữ liệu quan sát của chúng tôi rất phù hợp với các hình sin đơn giản, mang lại tiến bộ mới cho hiểu biết của chúng ta về lỗ đen và hệ thống phản lực."