Hành trình phát hiện “quasar thu nhỏ” đầu tiên chĩa luồng tia về Trái Đất

Hơn ba thập kỷ qua, các nhà thiên văn học đã kiên trì tìm kiếm một mô hình vũ trụ thu nhỏ ngay trong Dải Ngân Hà: một lỗ đen khối lượng sao đang nuốt chửng ngôi sao đồng hành và phóng luồng tia vật chất về phía Trái Đất. Bước ngoặt xuất hiện khi dữ liệu quan sát từ một vệ tinh ra đời năm 1983 được đối chiếu với các đài thiên văn vô tuyến hiện đại. Vật thể mang tên IRAS 18293−0941 đã được xác nhận là microblazar đầu tiên được phát hiện trong thiên hà của chúng ta. Phát hiện này không chỉ mang đến cơ hội quan sát quá trình tiến hóa của quasar theo mốc thời gian rút ngắn hàng nghìn lần, mà còn hé lộ lời giải cho nguồn gốc các hạt năng lượng siêu cao trong vũ trụ. [1]

Cuộc truy tìm kéo dài hơn ba thập kỷ trong Dải Ngân Hà

Trong vũ trụ bao la, blazar là những quasar siêu khối lượng ở tâm các thiên hà xa xôi, nơi lực hấp dẫn khủng khiếp hút vật chất vào một đĩa xoay tròn và bắn ra hai luồng vật chất siêu nóng theo hai hướng ngược nhau. Khi một trong hai luồng tia này chĩa gần như trực diện về phía Trái Đất, vật thể đó được gọi là blazar. Tuy nhiên, các blazar siêu khối lượng nằm quá xa và biến đổi vô cùng chậm chạp, khiến việc theo dõi toàn bộ chu kỳ hoạt động của chúng trở nên bất khả thi trong một đời người. [1]

Từ gần 35 năm trước, các nhà khoa học đã đặt ra giả thuyết về sự tồn tại của microblazar — phiên bản thu nhỏ nằm ngay trong Ngân Hà. Hai nhà vật lý thiên văn Pedro Luque-Escamilla và Josep Martí từ Đại học Jaén ở Tây Ban Nha đã dành hai thập kỷ sục sạo trong các cơ sở dữ liệu thiên văn lưu trữ để tìm kiếm dạng vật thể cực kỳ năng động này. Trong suốt nhiều năm, nhiều ứng viên triển vọng được phát hiện nhưng rốt cuộc đều chỉ là những blazar cỡ lớn nằm ngoài thiên hà của chúng ta. [1]

Manh mối từ danh mục dữ liệu lưu trữ năm 1983

Sự kiên trì của nhóm nghiên cứu chỉ thực sự đơm hoa kết trái khi họ rà soát lại cuốn danh mục dữ liệu do một vệ tinh hợp tác giữa Hà Lan và Mỹ thu thập từ năm 1983. Giữa hàng ngàn tín hiệu cổ xưa, một vật thể với mã số IRAS 18293−0941 đã thu hút sự chú ý đặc biệt của Josep Martí và các đồng nghiệp. [1]

Khi đối chiếu tọa độ của IRAS 18293−0941 với các quan sát hiện đại từ các kính thiên văn vô tuyến, nhóm nghiên cứu phát hiện một vùng phát xạ nhỏ nhưng cực kỳ sáng, đi kèm vùng sáng phụ chỉ xuất hiện ở một bên. Trong thiên văn học, sự phân bố ánh sáng lệch bên này chính là vết tích đặc trưng của một blazar có luồng tia chĩa về hướng người quan sát. Ban đầu, các nhà nghiên cứu vẫn cho rằng đây lại là một blazar siêu khối lượng khác ở ngoài Ngân Hà. [1]

Khẳng định vị trí vật thể bằng dữ liệu đa bước sóng

Không vội vã đưa ra kết luận, nhóm nghiên cứu đã mở rộng phạm vi thu thập dữ liệu bằng cách sử dụng quan sát từ ba đài thiên văn khác nhau trên Trái Đất và trong không gian. Phương pháp tiếp cận đa bước sóng này cho phép phân tích toàn diện các dải phổ ánh sáng phát ra từ IRAS 18293−0941. Kết quả tính toán chính xác đã xác định vật thể này thực chất nằm ngay bên trong Dải Ngân Hà của chúng ta. [1]

Nhà vật lý thiên văn Alexandra Tetarenko từ Đại học Lethbridge tại Canada, người không tham gia vào nghiên cứu, đánh giá cao việc sử dụng kết hợp dữ liệu từ nhiều kính thiên văn khác nhau. Theo chuyên gia này, việc phân tích đa bước sóng không chỉ tạo nên điểm biệt lập cho công trình so với các tuyên bố ứng viên trước đây mà còn khiến kết luận về sự tồn tại của microblazar trở nên thuyết phục hơn nhiều. [1]

Thước phim vũ trụ quay nhanh ngay tại thiên hà của chúng ta

Sự khác biệt lớn nhất giữa một blazar siêu khối lượng và một microblazar nằm ở quy mô kích thước và tốc độ diễn biến. Trong khi các blazar khổng lồ mất hàng nghìn năm để thể hiện sự thay đổi trong cấu trúc luồng tia, thì microblazar — do một lỗ đen khối lượng sao nuốt chửng vật chất từ ngôi sao đồng hành tạo ra — hút vật chất vào trong với tốc độ nhanh hơn rất nhiều. [1]

Theo nhà nghiên cứu Pedro Luque-Escamilla, những hiện tượng phải mất hàng tuần hoặc hàng tháng mới thay đổi ở một microblazar sẽ đòi hỏi hàng nghìn năm ở một blazar siêu khối lượng. Microblazar vừa phát hiện đóng vai trò như một mô hình thu nhỏ hoàn hảo, cho phép các nhà thiên văn học quan sát một thước phim vũ trụ ở chế độ tua nhanh, giúp thấu hiểu cơ chế hoạt động của những cỗ máy năng lượng mạnh nhất vũ trụ ngay trong khoảng thời gian của một dự án nghiên cứu. [1]

Lời giải cho bí ẩn hạt năng lượng cực hạn trong Dải Ngân Hà

Phát hiện về IRAS 18293−0941 còn mang lại câu trả lời cho một bí ẩn thiên văn học kéo dài: nguồn gốc của các hạt có năng lượng siêu cao trong thiên hà. Khi xác định tọa độ của IRAS 18293−0941, nhóm nghiên cứu nhận thấy vật thể này nằm rất gần một vùng tập trung các hạt năng lượng cực hạn — những hạt mang năng lượng cao gấp 100 lần so với mức mà Trạm gia tốc hạt lớn (LHC) trên Trái Đất có thể tạo ra. [1]

Nhóm nghiên cứu khẳng định đây không phải là sự trùng hợp ngẫu nhiên. Luồng tia vô hình thứ hai của microblazar — luồng tia chĩa theo hướng ngược lại với Trái Đất — đang va đập mạnh mẽ vào một đám mây vật chất vũ trụ. Vùng va chạm này hoạt động như một máy gia tốc hạt khổng lồ trong tự nhiên, bơm năng lượng cho các hạt đạt đến mức cực đại. Quan sát đồng thời luồng tia hướng về Trái Đất và vùng va chạm phía sau sẽ giúp giới khoa học hiểu rõ hơn năng lực khủng khiếp của cỗ máy động cơ vũ trụ này. [1]