Tìm ra cách cân khối lượng lỗ đen: dùng các nhánh xoắn ốc của thiên hà

Cách này cực dễ, đến độ học sinh tiểu học cũng làm được.

Các nhà thiên văn học đến từ Đại học Công nghệ Swinburne, Úc và Đại học Minnesota Duluth, Hoa Kì, đã tìm ra cách giúp cho các "nhà thiên văn ghế bành" - những người vốn chỉ làm việc tại văn phòng của mình mà không phải ở đài thiên văn - và cả... học sinh tiểu học nữa, chỉ cần nhìn vào một nhánh xoắn ốc của thiên hà là có thể nhẩm tính được khối lượng của lỗ đen trung tâm ẩn đằng sau nó. Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Hội đồng nghiên cứu Australia, và được công bố trên tập san Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. (Nguyệt san của Hội Thiên Văn Hoàng Gia).

Các lỗ đen vốn không bao giờ phát ra các ánh sáng có thể nhận thức được.

Bởi các lỗ đen vốn không bao giờ phát ra các ánh sáng có thể nhận thức được, nên chúng thường được nghiên cứu thông qua các quan sát mang tính kĩ thuật cao, của các ngôi sao và khí quyển xung quanh quỹ đạo của chúng, nhờ đó cung cấp được một thước đo hợp lý xem chúng to từng nào.

Tin vui là các nghiên cứu mới nhất dựa trên các thước đo xuất hiện trước đó đã chỉ ra rằng, khối lượng của lỗ đen có thể được ước lượng chỉ thuần túy nhờ việc quan sát các nhánh xoắn ốc thiên hà chủ của nó.

Gần một thế kỉ trước, James Jeans và Edwin Hubble đã chú ý đến việc các thiên hà xoắn ốc với các đoạn phồng lớn ở trung tâm sở hữu các nhánh xoắn ốc quấn chặt vào nhau, trong khi các thiên hòa xoắn ốc với với các đoạn phồng nhỏ lại hiển thị các nhánh xoắn ốc mở rộng ra. Kể từ đó, hàng trăm nghìn, nếu không muốn nói là hàng triệu các thiên hà xoắn ốc đã được phân loại theo các mẫu Sa, Sb, Sc,Sd, dựa vào hình dạng các nhánh xoắn ốc của nó.

Giáo sư Marc Seigar, Phó Chủ nhiệm khoa của Trường Khoa học và Kĩ thuật Swenson thuộc Đại học Minnesota Duluth, và là đồng tác giả của nghiên cứu này, đã phát hiện ra mối quan hệ giữa khối lượng của lỗ đen trung tâm và mật độ bó sát của các nhánh xoắn của một thiên hà gần một thập kỉ trước.

Thiên hà dạng "Sab", có tên là Messier 81, nằm trên chòm sao phía bắc của Ursa Lớn, và có khối lượng lỗ đen cỡ 68 triệu lần mặt trời.

Tiến sĩ Benjamin Davis và Giáo sư Alister Graham, đến từ trung tâm Vật lý thiên thể và Siêu Điện toán Swinburne đã dẫn dắt nghiên cứu mới này nhằm phục hồi lại sự liên kết giữa khối lượng lỗ đen và hình học nhánh xoắn ốc.

Sai khi phân tích cẩn thận các mẫu lớn hơn của các dải thiên hà, được chụp lại bởi một mảng của các kính viễn vọng không gian, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy một mối liên hệ mạnh mẽ bất ngờ, và một trong số đó dự đoán các lỗ đen với khối lượng thấp hơn trong thiên hà sẽ có các nhánh xoắn ốc mở (Mẫu Sc và Sd).

"Sức mạnh của mối liên hệ này có lẽ cạnh tranh được, nếu không muốn nói là tốt hơn, với bất kì một phương pháp nào khác dùng để dự đoán khối lượng lỗ đen", Dr Davis nói. "Bất cứ ai cũng có thể nhìn vào hình ảnh của một thiên hà xoắn, và ngay lập tức đánh giá được lỗ đen đằng sau nó lớn cỡ nào".

Bởi các "đĩa" của thiên hà là thứ tạo nên các mẫu xoắn, nên nghiên cứu cũng nhấn mạnh đến mối quan hệ cho đến nay vẫn còn ít được chúng ta biết tới, giữa đĩa ngân hà và lỗ đen. Hơn thế nữa, quá trình này cho phép dự đoán khối lượng các lỗ đen ở các đĩa thiên hà thuần túy với các đoạn phồng chứa đầy các chòm sao. "Điều này ngụ ý rằng các lỗ đen và các đĩa của thiên hà chủ của chúng có lẽ là tiến hóa đồng thời", Dr Davis nói.

Các nhánh xoắn ốc với các mức độ chặt khác nhau, và các khối lượng lỗ đen trung tâm và thiên hà tương ứng trong các đơn vị khối lượng của thiên hà chúng ta. Mẫu này có thể được dùng để ước lượng các khối lượng lỗ đen trong thiên hà xoắn.

"Quan trọng là, mối liên hệ này còn cho phép nghiên cứu các cộng đồng lỗ đen khối lượng trung bình (khoảng 100 cho đến 100.000 lần lớn hơn mặt trời), vốn đang mất tích một cách khả nghi ở thời điểm hiện tại. Thật khó để dò tìm khi mặc dù khối lượng của chúng lớn hơn nhiều so với bất kì một ngôi sao đơn lẻ nào, nhưng lại nhỏ hơn các lô đen cực lớn, nặng hơn hàng tỉ lần so với mặt trời của chúng ta", Giáo sư Graham nói. ​