Nghiên cứu mới phát hiện ra rằng các lỗ đen siêu lớn ăn mòn vật chất xung quanh nhanh hơn người ta nghĩ trước đây. Cái nhìn sâu sắc đến từ các mô phỏng có độ phân giải cao và có thể giải thích tại sao các quasar bùng lên và mờ đi nhanh chóng như vậy. Một nghiên cứu mới do Đại học Northwestern dẫn đầu đang thay đổi cách các nhà vật lý thiên văn hiểu về thói quen kiếm ăn của các lỗ đen siêu lớn. Các nhà nghiên cứu trước đây cho rằng lỗ đen ăn chậm, nhưng các mô phỏng mới cho thấy lỗ đen ngấu nghiến thức ăn nhanh hơn nhiều so với suy nghĩ thông thường.
Nghiên cứu này được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn vào ngày 20 tháng 9.
Thông tin mô phỏng chuyên sâu
Theo mới mô phỏng ba chiều có độ phân giải cao, một lỗ đen quay tròn làm cong không-thời gian xung quanh nó, cuối cùng xé toạc dòng xoáy khí dữ dội (hoặc đĩa bồi tụ) bao quanh và cung cấp năng lượng cho lỗ đen. Điều này làm cho đĩa bồi tụ bị xé thành hai đĩa phụ, một đĩa trong và một đĩa ngoài. Lỗ đen nuốt chửng vòng trong trước tiên. Sau đó, các mảnh vỡ của đĩa phụ bên ngoài tràn vào trong, lấp đầy khoảng trống mà vòng trong đã bị nuốt chửng hoàn toàn để lại, và quá trình nuốt chửng lại lặp lại.
Một chu kỳ lặp đi lặp lại không ngừng quá trình "ăn" - "ăn" - "ăn" chỉ mất vài tháng - một khoảng thời gian nhanh đến kinh ngạc so với hàng trăm năm mà các nhà nghiên cứu đề xuất trước đó.
Khám phá mới giúp giải thích hành vi kịch tính của một số vật thể sáng nhất trên bầu trời đêm, bao gồm cả chuẩn tinh, chúng đột nhiên bùng cháy và sau đó biến mất mà không có lý do rõ ràng.
Nick Kaaz thuộc Đại học Northwestern, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: "Lý thuyết đĩa bồi tụ cổ điển dự đoán rằng đĩa bồi tụ sẽ tiến hóa chậm. Nhưng một số chuẩn tinh - lỗ đen nuốt chửng khí trong đĩa bồi tụ - dường như tiến hóa theo khoảng thời gian từ nhiều tháng đến nhiều năm. "Có một sự thay đổi mạnh mẽ trong đĩa. Nó rất kịch tính. Có vẻ như phần bên trong của đĩa bồi tụ - nơi phát ra phần lớn ánh sáng - đang bị phá hủy và sau đó được bổ sung lại. Có thể sự sáng lên và mờ đi nhanh chóng mà chúng tôi thấy trong các mô phỏng của mình phù hợp với sự phá hủy phần bên trong của đĩa."
Kaaz là sinh viên tốt nghiệp ngành thiên văn học tại Trường Cao đẳng Khoa học và Nghệ thuật Weinberg thuộc Đại học Northwestern và là thành viên của Trung tâm Nghiên cứu và Khám phá Liên ngành về Vật lý Thiên văn (CIERA). Kaaz được giám sát bởi đồng tác giả Alexander Tchekhovskoy, phó giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Weinberg và là thành viên CIERA.
Giả định sai lầm
Đĩa bồi tụ xung quanh lỗ đen là một vật thể rất phức tạp và do đó khó lập mô hình. Các lý thuyết thông thường đã gặp khó khăn trong việc giải thích tại sao những đĩa này tỏa sáng rực rỡ rồi đột nhiên mờ đi - và đôi khi biến mất hoàn toàn.
Các nhà nghiên cứu trước đây đã lầm tưởng rằng các đĩa bồi tụ có trật tự tương đối. Trong các mô hình này, khí và các hạt quay quanh lỗ đen -- trong cùng mặt phẳng với lỗ đen và cùng hướng với vòng quay của lỗ đen. Sau đó, trong khoảng thời gian từ hàng trăm đến hàng trăm nghìn năm, các hạt khí dần dần xoắn ốc vào lỗ đen, cung cấp năng lượng cho nó.
Kaaz nói: “Trong nhiều thập kỷ, người ta đã đưa ra một giả định lớn rằng đĩa bồi tụ thẳng hàng với chuyển động quay của lỗ đen”. “Nhưng khí nuôi dưỡng các lỗ đen này không nhất thiết phải biết lỗ đen quay theo hướng nào, vậy tại sao chúng lại tự sắp xếp thẳng hàng? Việc thay đổi cách căn chỉnh sẽ làm thay đổi hình ảnh một cách đáng kể.”
Mô phỏng của các nhà nghiên cứu, một trong những mô phỏng có độ phân giải cao nhất của đĩa bồi tụ cho đến nay, cho thấy khu vực xung quanh lỗ đen hỗn loạn và hỗn loạn hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.
Giống một con quay hồi chuyển hơn là một cái đĩa
Các nhà nghiên cứu sử dụng Oak Ridge Hội nghị thượng đỉnh của Phòng thí nghiệm Quốc gia, một trong những siêu máy tính lớn nhất thế giới, đã thực hiện mô phỏng từ thủy động lực học tương đối tổng quát ba chiều (GRMHD) của một vật liệu mỏng nghiêng đĩa bồi tụ. Mặc dù các mô phỏng trước đây không đủ mạnh để bao gồm tất cả các yếu tố vật lý cần thiết để tạo ra một lỗ đen thực sự, nhưng mô hình do Northwestern dẫn đầu kết hợp động lực học khí, từ trường và thuyết tương đối rộng để xây dựng một bức tranh hoàn chỉnh hơn.
"Lỗ đen là những vật thể tương đối tổng quát cực độ, có ảnh hưởng đến không gian và thời gian xung quanh chúng," Kaaz nói. "Vì vậy, khi các lỗ đen quay tròn, chúng kéo không gian xung quanh chúng giống như một vòng quay khổng lồ, buộc không gian cũng quay theo – một hiện tượng được gọi là 'kéo khung'. Điều này tạo ra một hiệu ứng rất mạnh khi ở gần lỗ đen, và càng ngày càng yếu đi."
Kéo khung khiến toàn bộ đĩa lắc theo hình tròn, tương tự như quá trình tiền xử lý của con quay hồi chuyển. Nhưng bên trong đĩa dao động nhanh hơn nhiều so với bên ngoài. Lực không khớp này làm cho toàn bộ đĩa bị cong, khiến khí từ các phần khác nhau của đĩa va chạm vào nhau. Sóng xung kích mạnh tạo ra bởi vụ va chạm đẩy vật chất ngày càng gần lỗ đen hơn.
Khi độ cong vênh trở nên nghiêm trọng hơn, vùng trong cùng của đĩa bồi tụ tiếp tục lắc lư ngày càng nhanh hơn cho đến khi nó tách ra khỏi phần còn lại của đĩa bồi tụ. Sau đó, dựa trên kết quả mô phỏng mới, các đĩa con bắt đầu phát triển độc lập với nhau. Thay vì chuyển động trơn tru cùng nhau như các tấm phẳng xung quanh lỗ đen, các đĩa con lắc lư độc lập với tốc độ và góc khác nhau giống như các bánh xe trong con quay hồi chuyển.
Kaaz nói: "Khi đĩa bên trong tách ra, nó sẽ xử lý trước một cách độc lập. Nó lao về phía trước nhanh hơn vì ở gần lỗ đen hơn và vì nó nhỏ hơn nên dễ di chuyển hơn."
Nơi có lỗ đen Win
Theo mô phỏng mới, vùng xé -- nơi các đĩa con bên trong và bên ngoài ngắt kết nối -- là nơi cơn cuồng ăn thực sự bắt đầu. Trong khi ma sát cố gắng giữ cái đĩa lại với nhau thì sự biến dạng không thời gian của lỗ đen đang cố gắng xé nó ra.
"Có sự cạnh tranh giữa chuyển động quay của lỗ đen với ma sát và áp suất bên trong đĩa," Katz nói. "Vùng rách là nơi lỗ đen chiến thắng. Các đĩa bên trong và bên ngoài va chạm với nhau. Đĩa bên ngoài cạo đi các lớp của đĩa bên trong, đẩy nó vào trong."
Bây giờ, các đĩa con giao nhau ở các góc khác nhau. Đĩa ngoài đổ vật liệu vào đĩa trong. Khối lượng tăng thêm này cũng đẩy đĩa bên trong về phía lỗ đen, nuốt chửng nó. Sau đó, lực hấp dẫn của chính lỗ đen sẽ hút khí từ các vùng bên ngoài về phía các vùng bên trong giờ đã trống rỗng, làm đầy lại nó.
Kết nối giữa các quasar
Chu kỳ "ăn và ăn" nhanh chóng này có thể giải thích cái gọi là "sự thay đổi hình dáng" của các quasar, Katz nói. Chuẩn tinh là những vật thể cực sáng, phát ra năng lượng gấp 1.000 lần năng lượng của 200 tỷ đến 400 tỷ ngôi sao trong toàn bộ Dải Ngân hà. Sự thay đổi quasar thậm chí còn cực đoan hơn. Chúng dường như nhấp nháy liên tục trong vài tháng - một khoảng thời gian cực kỳ ngắn đối với một chuẩn tinh điển hình.
Mặc dù lý thuyết cổ điển đưa ra các giả định về tốc độ tiến hóa của đĩa bồi tụ và sự thay đổi độ sáng, nhưng các quan sát về các quasar bị biến dạng cho thấy chúng thực sự tiến hóa nhanh hơn nhiều.
"Vùng bên trong của đĩa bồi tụ, nơi tạo ra phần lớn độ sáng, có thể biến mất hoàn toàn -- nhanh chóng trong vòng vài tháng. Về cơ bản, chúng ta có thể thấy nó biến mất hoàn toàn. Hệ thống không còn sáng nữa. Sau đó, nó sáng trở lại và quá trình tự lặp lại. . Các lý thuyết truyền thống không thể giải thích tại sao nó biến mất ngay từ đầu, cũng như làm thế nào nó nạp lại nhanh như vậy. "
Mô phỏng mới có khả năng không chỉ giải thích về chuẩn tinh mà còn trả lời những câu hỏi bấy lâu nay về bản chất bí ẩn của lỗ đen.
"Làm thế nào khí đi vào lỗ đen để cung cấp năng lượng cho nó là câu hỏi trọng tâm trong vật lý đĩa bồi tụ," Katz nói. “Nếu bạn biết điều này xảy ra như thế nào, bạn có thể biết chiếc đĩa tồn tại được bao lâu, độ sáng của nó như thế nào và ánh sáng sẽ trông như thế nào khi chúng ta nhìn nó bằng kính viễn vọng.”