IRAS 18293-0941: Vì sao các nhà thiên văn nhận ra tia vật chất của lỗ đen đang hướng về Trái Đất?

Một hệ sao từng gần như bị bỏ quên sau lớp bụi dày lại trở thành đầu mối cho một phát hiện đặc biệt: IRAS 18293-0941 được nhận diện là một microblazar, tức hệ lỗ đen có tia vật chất gần như chĩa về phía Trái Đất. Các nhà thiên văn không nhìn thấy trực tiếp toàn bộ tia này; họ ghép một ngôi sao nhấp nháy, tín hiệu vô tuyến rất sắc nét và một bong bóng phát sáng ở phía đối diện để lần ra lời giải. [1]

Câu hỏi quan trọng không chỉ là tia vật chất có tồn tại hay không, mà là làm sao biết nó thuộc về hệ sao cách chúng ta khoảng 12.000 năm ánh sáng, thay vì là tín hiệu từ một thiên hà xa hơn. Câu trả lời nằm ở việc đối chiếu nhiều dấu vết độc lập trên các bước sóng khác nhau. [1]

Microblazar là gì?

Một lỗ đen không tự phát sáng theo cách một ngôi sao phát sáng. Tuy nhiên, khi có sao đồng hành chuyển vật chất sang lỗ đen, phần vật chất quanh lỗ đen có thể tạo ra hai dòng phun tốc độ rất lớn, hướng theo hai phía đối nhau. Trong trường hợp IRAS 18293-0941, ngôi sao đồng hành được cho là quay quanh lỗ đen theo chu kỳ khoảng 11 ngày, còn các tia vật chất lao đi với tốc độ xấp xỉ ba phần tư tốc độ ánh sáng. [1]

Ở những hệ lỗ đen siêu khối lượng tại tâm thiên hà, một tia hướng về phía chúng ta có thể tạo nên blazar. Tiền tố “micro” trong microblazar chỉ một hệ nhỏ hơn, được cung cấp năng lượng bởi lỗ đen có sao đồng hành thay vì lỗ đen siêu khối lượng. Ý tưởng này đã được dự đoán từ nhiều thập kỷ trước, nhưng việc tìm được một trường hợp trong Ngân Hà và có tia hướng về Trái Đất là điều các nhà thiên văn từng chưa xác nhận được. [1]

Dấu hiệu đầu tiên đến từ đâu?

IRAS 18293-0941 nằm sau lượng bụi lớn đến mức gần như biến mất trong ảnh quang học thông thường. Vì vậy, nó không nổi bật như một ngôi sao sáng dễ theo dõi. Manh mối ban đầu là sự nhấp nháy nhẹ của một ngôi sao: độ sáng thay đổi theo thời gian, gợi ý rằng đây có thể là một hệ tương tác chứ không phải một ngôi sao đơn lẻ bình thường. [1]

Các nhà thiên văn sau đó dùng kính thiên văn vô tuyến để quan sát vùng này. Dữ liệu cho thấy một cấu trúc giống tia vật chất chỉ nhìn thấy rõ theo hướng về phía chúng ta. Nếu chỉ có dấu vết ấy, vẫn còn một câu hỏi lớn: tín hiệu có thật sự xuất phát từ ngôi sao bị bụi che khuất hay chỉ tình cờ nằm trên cùng một hướng nhìn? [1]

Bong bóng ở phía đối diện tiết lộ điều gì?

Tia hướng về phía Trái Đất khó cho thấy hình dạng đầy đủ vì nó lao gần như dọc theo đường ngắm. Bằng chứng bổ sung xuất hiện ở phía đối diện. Tia còn lại đâm vào một đám mây phân tử gần đó, khoét ra một vùng giống bong bóng. Ở thành xa của bong bóng, khí và bụi bị nung nóng rồi phát sáng, tạo nên dấu vết của nơi tia đang tác động. [1]

Bong bóng này không phải là một vật thể được nhìn thấy nguyên vẹn như quả cầu trong không gian. Nó là cách môi trường xung quanh phản hồi khi nhận năng lượng từ tia vật chất. Từ dấu hiệu ấy, các nhà thiên văn suy ra sự tồn tại của tia đối diện và thấy cấu trúc hai tia phù hợp với một hệ lỗ đen đang phóng vật chất theo hai hướng. [1]

Làm sao gắn tia với đúng hệ sao?

Bước quyết định là so vị trí của nguồn vô tuyến với vị trí ngôi sao do vệ tinh Gaia xác định. Mạng lưới vô tuyến giao thoa đường cơ sở rất dài của châu Âu, thường gọi là European VLBI Network, cung cấp vị trí có độ phân giải cao. Khi hai vị trí khớp nhau, khả năng tia vật chất thuộc về IRAS 18293-0941 trở nên thuyết phục hơn nhiều. [1]

Đây là một ví dụ điển hình về cách thiên văn học xử lý những vật thể bị che khuất. Không cần nhìn thấy lỗ đen trực tiếp, các nhà nghiên cứu có thể lần theo tác động của nó lên vật chất xung quanh, rồi kiểm tra xem tín hiệu có trùng với vị trí của một hệ sao cụ thể hay không. Mỗi quan sát riêng lẻ chỉ là một mảnh ghép; sự trùng khớp giữa các mảnh mới tạo thành nhận diện đáng tin cậy. [1]

Đám mây phân tử có thể biến tia thành máy gia tốc

Khi tia vật chất va vào đám mây phân tử, vùng va chạm không chỉ phát sáng. Các hạt trong đó có thể được đẩy lên mức năng lượng cực cao, đồng thời tạo ra tia gamma năng lượng cao. Cách hiểu này tách hai vai trò: tia vật chất cung cấp cơ chế gia tốc, còn đám mây phân tử đóng vai trò nơi phát sáng để chúng ta nhận ra quá trình. [1]

Các nhà nghiên cứu cho rằng vùng va chạm có thể đẩy hạt lên mức năng lượng rất lớn, thậm chí tới thang petaelectronvolt, nhưng đây vẫn là khả năng cần được khảo sát thêm. Vì vậy, phát hiện này không chỉ giúp nhận diện một microblazar. Nó còn mở ra câu hỏi rộng hơn về việc những hệ lỗ đen có sao đồng hành góp phần tạo ra các hạt năng lượng cao trong Ngân Hà như thế nào. [1]

Điều phát hiện này chưa nói lên

Một tia hướng về Trái Đất nghe có vẻ đáng lo, nhưng hệ IRAS 18293-0941 không được mô tả như mối đe dọa đối với chúng ta. Khoảng cách rất lớn và bản thân phát hiện chủ yếu cho thấy hướng hình học của tia cùng cách nó tương tác với môi trường xung quanh. [1]

Điều đáng nhớ hơn là sự hiện diện của nó từng bị che khuất trong ảnh quang học và gần như bị lãng quên sau khi được lập danh mục từ nhiều năm trước. Chỉ khi tín hiệu nhấp nháy, quan sát vô tuyến, dữ liệu vị trí từ Gaia và ánh sáng của đám mây được đặt cạnh nhau, một hệ lỗ đen khó thấy mới hiện ra. Trong thiên văn học, đôi khi vật thể không biến mất; chỉ là dấu vết của nó nằm rải rác ở những nơi khác nhau trên bầu trời. [1]