Làm thế nào các lỗ đen và các thiên hà chơi trò kéo co trong vũ trụ
Hình minh họa mối quan hệ giữa lỗ đen và thiên hà CQ4479.
(Tín dụng hình ảnh: NASA / Daniel Rutter)
Lỗ đen và thiên hà có mối quan hệ phức tạp.
Các nhà thiên văn học cho rằng gần như mọi thiên hà đều chứa một lỗ đen khổng lồ trong lõi của nó. Và trong khi những lỗ đen đó thực sự rất lớn – nặng hàng triệu, thậm chí hàng tỷ lần khối lượng Mặt trời – chúng rất nhỏ so với các thiên hà nhà của chúng, đạt chưa đầy 1% khối lượng của một thiên hà điển hình và thể tích nhỏ hơn một tỷ lần.
Bất chấp sự khác biệt rất lớn, những lỗ đen khổng lồ này có khả năng gây ảnh hưởng lớn hơn, kiểm soát tốc độ hình thành sao trong hàng tỷ năm.
Vậy tại sao lỗ đen và thiên hà lại có một mối quan hệ dường như khó xảy ra như vậy?
Lõi của các thiên hà là vùng dày đặc nhất của chúng, không chỉ chứa đầy các ngôi sao mà còn chứa đầy khí. Ở trung tâm của hầu hết, nếu không phải là tất cả, các thiên hà là một lỗ đen siêu lớn. Những thứ nhỏ nhất có khối lượng gấp một triệu lần mặt trời; lớn nhất đứng đầu bảng xếp hạng với khối lượng gấp trăm tỷ lần ngôi sao quê hương của chúng ta.
Đương nhiên, những lỗ đen đó tạo ra một lực hấp dẫn cực lớn lên môi trường xung quanh chúng, và bất kỳ khí hoặc ngôi sao nào đi quá gần đều thấy mình bị mắc kẹt trong một vòng tay chết chóc. Khi tất cả tài liệu đó nhồi nhét vào không gian xung quanh lỗ đen, nó nóng lên, bởi vì đó là những gì vật chất làm khi bạn nén chúng. Rất nhanh chóng, vật chất này bong ra thành một đĩa bồi tụ mỏng xoáy xung quanh lỗ đen.
Những bất ổn nhỏ trong đĩa bồi tụ làm cho các đường sức từ tự bó lại, gấp khúc, do đó làm tăng cường độ của từ trường trong đĩa. Trong khi hầu hết các vật chất xung quanh lỗ đen lao xuống dưới chân trời sự kiệnkhông bao giờ được nhìn thấy trong vũ trụ này nữa, từ trường mạnh bám vào một số vật chất, buộc nó đi theo các đường xoắn quanh lỗ đen trước khi làm nổ vật liệu ra khỏi các cực.
Các phản lực của plasma siêu nóng chạy đua với tốc độ gần như tốc độ ánh sángxuyên thủng lõi và trong một số trường hợp, kéo dài hàng chục nghìn năm ánh sáng.
M-sigma: Mối quan hệ kỳ lạ giữa lỗ đen và thiên hà
Đây là hoạt động xung quanh hố đen siêu lớn mà các nhà khoa học tin rằng đằng sau mối quan hệ hấp dẫn giữa các lỗ đen và các thiên hà chủ của chúng. Được gọi là quan hệ M-sigma, nó là mối liên hệ giữa khối lượng của lỗ đen siêu lớn (M) và sự phân tán vận tốc trong khí của lõi thiên hà (được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp sigma).
Sự phân tán vận tốc là thước đo “độ khó” của một khối khí. Sự phân tán lớn hơn có nghĩa là các túi khí có một phạm vi vận tốc rộng, trong khi sự phân tán nhỏ có nghĩa là các túi khí có cùng vận tốc. Quan hệ M-sigma cho chúng ta biết rằng đối với một loạt các thiên hà, lỗ đen càng có khối lượng lớn thì sự phân tán vận tốc càng lớn – nói cách khác, càng có nhiều hoạt động diễn ra trong lõi.
Tuy nhiên, việc cho lỗ đen ăn và phóng các máy bay phản lực ấn tượng của nó chỉ tạo nên một mặt của câu chuyện. Sau khi các phản lực phóng ra, chúng làm nóng khí trong lõi. Với rất nhiều năng lượng, chất khí gặp khó khăn khi đi xuống vùng lân cận của lỗ đen – do đó đĩa bồi tụ mỏng dần và các tia phản lực giảm sức mạnh. Nhưng sau một thời gian đủ dài, chất khí này lại nguội đi và đi đến hang ổ của lỗ đen, trước khi chu kỳ lặp lại.
Mối liên hệ mật thiết này giữa lỗ đen và môi trường xung quanh nó được gọi là phản hồi, và nó điều chỉnh cả sự phát triển của lỗ đen và năng lượng trong thiên hà, thiết lập mối quan hệ M-sigma.
Giữ thăng bằng
Chu kỳ phản hồi này cũng chi phối một thứ khác rất quan trọng đối với sự tiến hóa của các thiên hà: tốc độ hình thành sao.
Khi các túi khí trong một thiên hà tương đối nguội, chúng có thể đạt đến mật độ đáng kinh ngạc cần thiết để kích hoạt sự hình thành các ngôi sao. Nếu khí quá nóng, quá trình hình thành sao sẽ chậm lại. Có nhiều nguồn nhiệt trong một thiên hà, như năng lượng giải phóng từ siêu tân tinh nhưng có lẽ những người chơi lớn nhất trong cảnh thiên hà chính là những lỗ đen siêu lớn đó.
Phản hồi từ các lỗ đen siêu lớn điều chỉnh sự hình thành sao trong toàn bộ ngân hà. Nếu không có dòng chảy ra từ các lỗ đen khổng lồ, quá trình hình thành sao sẽ diễn ra nhanh hơn nhiều, thậm chí có khả năng làm cạn kiệt một thiên hà chứa các nguồn khí cần thiết để tạo ra các ngôi sao mới. Nếu không có lỗ đen khổng lồ, các thiên hà sẽ sống nhanh và chết trẻ, để lại những quần thể sao nhỏ, đỏ, mờ và không có sự hình thành sao mới trong kỷ nguyên hiện tại của vũ trụ.
Tuy nhiên, sự cân bằng mong manh đó có thể đi chệch hướng. Đôi khi, các luồng khí thoát ra từ các lỗ đen có thể phát triển quá mạnh, không chỉ làm nóng khí trong một thiên hà mà còn loại bỏ hoàn toàn nó khỏi thiên hà. Điều này không chỉ làm giảm sự hình thành sao; nó tắt hoàn toàn. Loại “dập tắt” này có thể xảy ra đặc biệt là sau các sự kiện hợp nhất thiên hà lớn, khi quá nhiều vật chất rơi vào hố đen trung tâm quá nhanh.
Các dải Ngân Hà có lỗ đen khổng lồ của riêng nó, được gọi là Nhân mã A *. Hiện tại nó tương đối yên tĩnh, với lần bùng phát cuối cùng đã diễn ra an toàn hàng triệu năm trong quá khứ. Nhưng trong khi lỗ đen đó có vẻ đe dọa, nó là một phần thiết yếu trong việc điều chỉnh sự tiến hóa của mọi thiên hà, giữ cho sự hình thành sao ở một tốc độ ổn định. Có lẽ nếu không có nó, Dải Ngân hà có thể đã hết khí hình thành từ lâu, và mặt trời có thể chưa từng xuất hiện.