Vì sao các thiên hà khổng lồ ngừng tạo ra sao mới trong vũ trụ?

Các thiên hà lớn chứa hàng trăm tỷ ngôi sao nhưng thường đối mặt với một câu hỏi hóc búa: tại sao nguồn nguyên liệu khí dồi dào xung quanh lại không tiếp tục ngưng tụ để tạo nên nhiều sao mới? Nghiên cứu công bố trên Tạp chí Vật lý Thiên văn Letters (The Astrophysical Journal Letters) của các nhà thiên văn học cho thấy giải đáp nằm ở các luồng plasma cực nóng phóng ra từ lỗ đen siêu khối ở tâm thiên hà. Những luồng tia hẹp này hoạt động như một chiếc phanh kìm hãm, liên tục truyền năng lượng và khuấy động vùng khí bao quanh ở khoảng cách vô cùng xa. [1]

Kho chứa nguyên liệu bao quanh thiên hà

Bao quanh các thiên hà lớn như Ngân Hà của chúng ta là một quầng khí khổng lồ được gọi là môi trường quanh thiên hà (circumgalactic medium, viết tắt là CGM). Vùng vật chất này trải rộng gấp 10 đến 20 lần so với đường kính phần đĩa thiên hà có thể quan sát trực tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy. Trong trạng thái tự nhiên, phần khí lạnh và đặc trong CGM sẽ tích tụ, di chuyển dần vào trung tâm dưới tác dụng của lực hấp dẫn. Khi mật độ đủ lớn, chúng ngưng tụ thành các đám mây khí đặc hơn rồi sụp đổ để hình thành nên các ngôi sao mới. [1]

Vì sự xuất hiện của sao là điều kiện tiên quyết để tạo thành các hệ hành tinh và môi trường cho sự sống, kho khí CGM đóng vai trò then chốt trong quá trình tiến hóa lâu dài. Tuy nhiên, các kính viễn vọng ghi nhận tốc độ sinh sao ở nhiều thiên hà lớn thấp hơn nhiều so với lượng khí hiện có. Phải có một cơ chế vật lý nào đó ngăn cản khối khí này nguội đi và lắng đọng vào tâm. [1]

Sức ảnh hưởng kỳ lạ từ vật thể nhỏ bé

Để hiểu quy mô của hiện tượng, hãy hình dung một ví dụ về tỷ lệ tương quan: một con kiến nhỏ bé ở một vị trí lại có thể để lại tác động rõ rệt tới khu vực cách xa hàng trăm kilômét. Lỗ đen siêu khối ở trung tâm thiên hà cũng có vị thế tương tự. Dù khối lượng của nó cực kỳ lớn, kích thước vật lý của lỗ đen này chỉ tương đương với hệ Mặt Trời của chúng ta, trong khi thiên hà chứa nó rộng lớn gấp khoảng 100 tỷ lần hệ Mặt Trời. [1]

Khi lỗ đen chủ động hút các dòng vật chất xung quanh, nó giải phóng nguồn năng lượng khổng lồ. Một phần năng lượng này được phóng ra ngoài dưới dạng hai luồng plasma hẹp, di chuyển với tốc độ cực lớn xuyên qua không gian. Các nhà nghiên cứu từ lâu đã đặt giả thuyết rằng chính những luồng tia plasma này là nhân tố đưa năng lượng từ tâm lỗ đen vượt qua khoảng cách hàng trăm nghìn năm ánh sáng để tác động lên môi trường quanh thiên hà. [1]

Giải mã tín hiệu hydro ion hóa nhờ kết hợp dữ liệu

Việc quan sát trực tiếp ảnh hưởng của luồng tia lên môi trường quanh thiên hà gặp trở ngại lớn do tín hiệu phát xạ quá yếu. Nếu chỉ xem xét một thiên hà riêng lẻ, ánh sáng huỳnh quang từ khí hydro bị ion hóa (đặc trưng bởi vạch quang phổ H-alpha) hoàn toàn bị chìm lấp trong nhiễu nền. Để giải quyết rào cản này, nhóm nghiên cứu do nhà thiên văn học Sanchayeeta Borthakur tại Đại học Bang Arizona và Namrata Roy tại Viện Nghiên cứu Raman dẫn đầu đã áp dụng phương pháp gộp dữ liệu từ hàng trăm thiên hà. [1]

Nhóm nghiên cứu kết hợp dữ liệu quang phổ từ Thiết bị Quang phổ Năng lượng Tối (DESI) với các phép đo luồng tia vô tuyến từ Khảo sát Bầu trời Hai mét LOFAR (LoTSS). Khi tính trung bình các phép đo khí theo mọi hướng chung quanh thiên hà, tín hiệu phát xạ vạch H-alpha thu được vô cùng nhạt nhòa. Tuy nhiên, khi nhóm căn chỉnh các phép đo chính xác dọc theo trục của các luồng tia vô tuyến, tín hiệu phát sáng của hydro ion hóa lại hiện lên rõ rệt. [1]

Dấu vết chùm sáng dọc theo đường đi của luồng plasma

Kết quả này chứng minh rằng luồng plasma cực nóng không tác động đều ra mọi phía như một ngọn đèn lan tỏa tròn. Thay vào đó, nó hoạt động tương tự như một chùm đèn chiếu tập trung, làm bừng sáng và ion hóa các đám mây khí nằm dọc theo con đường mà nó quét qua. Phân tích sâu hơn cho thấy hai khu vực có vạch phát xạ H-alpha đạt độ sáng cực đại: vùng thứ nhất nằm gần đĩa thiên hà nơi luồng tia bắt đầu đâm xuyên vào CGM, và vùng thứ hai nằm ở tận rìa ngoài nơi luồng tia trút phần lớn năng lượng còn lại. [1]

Để kiểm chứng tính chính xác, nhóm nghiên cứu cũng phân tích vạch hấp thụ của magie đại diện cho thành phần khí lạnh. Khác với tín hiệu hydro ion hóa dọc theo luồng tia, lượng khí magie lạnh phân bố tương đối đồng đều xung quanh thiên hà. Điều này xác nhận rằng quầng khí lạnh vốn tồn tại sẵn khắp mọi hướng, nhưng chỉ có vùng khí nằm trên đường đi của luồng plasma mới bị đốt nóng và ion hóa mạnh mẽ. [1]

Cơ chế điều hòa nhịp độ sinh sản sao

Bằng cách liên tục làm nóng, khuấy động và xáo trộn vật chất dọc theo hành trình xuyên qua môi trường quanh thiên hà, các luồng tia plasma từ lỗ đen khiến cho khối khí khổng lồ này không thể làm nguội hiệu quả. Khi nhiệt độ duy trì ở mức cao, khí không thể ngưng tụ thành mây đặc để rơi trở lại trung tâm thiên hà dưới tác dụng của lực hấp dẫn. [1]

Hệ quả là thiên hà bị cắt đứt nguồn bổ sung nguyên liệu tươi từ bên ngoài. Không có khí lạnh nạp vào, quá trình hình thành các ngôi sao mới chậm lại và dần ngưng trệ, khiến thiên hà bước vào giai đoạn trầm lặng. Việc phát hiện ra tính định hướng của luồng tia không chỉ giải thích cơ chế truyền năng lượng ở quy mô vũ trụ mà còn cho thấy một vật thể nhỏ bé ở trung tâm có thể quyết định số phận và sự phát triển của cả một thiên hà khổng lồ. [1]