Sau nửa thế kỷ tìm kiếm, cuối cùng các nhà thiên văn đã phát hiện 'cơn gió mất tích' từ Sagittarius A*

Cách biến thứ vô hình thành hữu hình

Để phát hiện một luồng gió từ một hố đen cách chúng ta tới 26.000 năm ánh sáng, cần phải nhìn thấy đồng thời hai thứ thường không xuất hiện cùng nhau: khí lạnh bị đẩy sang một bên và khí nóng đang thực hiện việc đẩy đó. Nhóm nghiên cứu đã đạt được điều này bằng cách kết hợp hai góc nhìn bổ trợ cho nhau.

'Đôi mắt' vô tuyến của ALMA quan sát khí lạnh. Hệ thống kính thiên văn Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) đặt tại Chile, một tập hợp gồm 66 ăng-ten vô tuyến, có khả năng nhìn xuyên qua bụi liên sao để lập bản đồ khí carbon monoxide lạnh. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng năm năm dữ liệu quan sát sâu của ALMA để xây dựng bản đồ chi tiết nhất từ trước đến nay về khí phân tử trong phạm vi khoảng một parsec (tương đương 3,26 năm ánh sáng) xung quanh Sgr A*. Sau khi họ cẩn thận loại bỏ ánh sáng vô tuyến cường độ mạnh từ chính hố đen, một mô hình đặc biệt đã hiện ra: một khoảng trống hình nón rõ ràng trong lớp khí lạnh, như thể có thứ gì đó đã quét sạch nó đi .

'Tầm nhìn' tia X của Chandra quan sát khí nóng. Đài quan sát tia X Chandra của NASA đã cung cấp mảnh ghép quan trọng thứ hai. Nơi ALMA nhìn thấy một cái lỗ, Chandra lại thấy một ánh sáng rực rỡ. Dữ liệu tia X cho thấy chính vùng không gian hình nón đó lại đang tràn ngập plasma nóng, phát ra tia X. Vùng khí nóng này lấp đầy chính xác thể tích mà khí lạnh đã bị đẩy đi .

Sự kết hợp giữa bản đồ khí lạnh màu cam của ALMA và bản đồ khí nóng màu xanh của Chandra tạo ra một hình ảnh tổng hợp không còn nhiều nghi ngờ: một khoang rỗng hình nón, chĩa thẳng ra xa khỏi Sgr A*, với hố đen nằm chính xác tại đỉnh của nó. Đây là dấu ấn của một luồng gió nóng được phóng ra từ dòng vật chất đang xoáy vào hố đen .

Tại sao không thể là thứ gì khác

Nhóm nghiên cứu không chỉ tìm thấy một cái lỗ—họ đã loại trừ mọi nguyên nhân thay thế khả dĩ bằng cách phân tích hình thái và năng lượng của cấu trúc này .

Một vòng xoáy hỗn loạn ngẫu nhiên sẽ không thể tạo ra một hình nón đối xứng. Gió sao từ cụm sao khổng lồ quay quanh khu vực này cũng không thể tạo ra một cấu trúc thẳng hàng một cách hoàn hảo với hố đen và khoét nên một khoang rỗng sạch sẽ ở quy mô parsec như vậy. Tàn dư của một vụ nổ siêu tân tinh sẽ để lại những dấu vết hóa học và mô hình giãn nở khác biệt, chứ không phải một hình nón 45 độ neo tại Sgr A*. Hơn nữa, năng lượng cần thiết để quét sạch một lượng khí lạnh lớn như vậy khớp với những gì một luồng gió từ đĩa bồi tụ yếu nhưng dai dẳng có thể cung cấp theo thời gian, chứ không phải từ một vụ nổ đơn lẻ trong thời gian ngắn .

Hình dạng, quy mô và cấu trúc nhiệt của nó đều đồng loạt chỉ về một cơ chế duy nhất: một luồng gió nóng từ Sgr A* đang chủ động dọn sạch môi trường xung quanh nó trong thời gian thực .

Giải phẫu của một luồng gió vũ trụ

Từ dữ liệu tổng hợp của ALMA và Chandra, các nhà nghiên cứu đã trích xuất được những phép đo chính xác về dấu ấn của luồng gió này :

• Hướng: Hình nón hướng ra xa khỏi Sgr A*, phù hợp với một luồng gió được phóng ra dọc theo trục quay của hố đen hoặc cực của dòng bồi tụ.
• Chiều dài: Tối thiểu 1 parsec (khoảng 3,26 năm ánh sáng). Đây là phạm vi tối thiểu của vùng bị dọn sạch; luồng gió thực sự có thể còn vươn xa hơn .
• Góc mở: 45 độ, tạo cho khoang rỗng hình nón đặc trưng của nó .
• Mức độ hoạt động: Luồng gió được mô tả là "đang hoạt động" và liên tục, mặc dù các nhà nghiên cứu lưu ý rằng nó không phải là một luồng phản lực tương đối tính mạnh mẽ. Họ cũng thận trọng rằng hướng của luồng gió có thể thay đổi theo thời gian .

Luồng gió của hố đen này giống một cơn gió nhẹ hơn là một cơn cuồng phong—nhưng trên quy mô parsec và thang thời gian vũ trụ, nó làm biến đổi sâu sắc trung tâm thiên hà .

Vì sao lời thì thầm của một hố đen 'im lặng' lại quan trọng

Sgr A* là một 'kẻ kém thành tích' trong vũ trụ. Không giống như những nhân thiên hà hoạt động (AGN) rực rỡ có thể sáng hơn cả thiên hà chứa nó, hố đen của chúng ta đang ở trạng thái tĩnh lặng, chỉ hút một dòng vật chất rất nhỏ. Trong nhiều năm, các nhà thiên văn đã tự hỏi liệu một gã khổng lồ hiền lành như vậy có thể tạo ra một luồng gió có thể đo đạc được hay không.

Phát hiện này trả lời một cách dứt khoát cho câu hỏi đó. Như Mark Gorski đã nói, "Trừ khi một hố đen tồn tại trong môi trường chân không hoàn hảo, nó bằng cách nào đó phải thổi ra một luồng gió" . Phát hiện này cho thấy gió hố đen không chỉ dành riêng cho những giai đoạn 'ăn uống' dữ dội—chúng là một đặc điểm cơ bản, và có lẽ là phổ quát, của quá trình bồi tụ vật chất. Mọi hố đen, dù đang 'ngấu nghiến' hay 'ăn kiêng', đều tương tác và khuấy động môi trường của nó .

Elena Murchikova nhấn mạnh một sự thật rộng lớn hơn: "Hố đen của chúng ta không phải là duy nhất, và vị trí của chúng ta trong vũ trụ cũng không phải là duy nhất" . Các quy luật vật lý đang vận hành ngay trong 'sân sau' thiên hà của chúng ta rất có thể cũng đang diễn ra tại trung tâm của vô số thiên hà tĩnh lặng khác, thống nhất bức tranh của chúng ta về cách các hố đen với mọi khối lượng và mức độ hoạt động ảnh hưởng đến vật chủ của chúng .

Đây chính là bản chất của cơ chế phản hồi từ hố đen: bằng cách nung nóng, đẩy ra, hoặc khuấy động khí, một hố đen trung tâm có thể điều chỉnh quá trình hình thành sao và định hình sự tiến hóa của toàn bộ thiên hà. Việc phát hiện ra luồng gió từ Sgr A* mang đến phòng thí nghiệm gần nhất và chi tiết nhất để nghiên cứu cơ chế phản hồi ở dạng nhẹ nhàng nhất của nó—một quá trình mà, ở những AGN mạnh mẽ hơn, có thể dập tắt sự hình thành sao trên phạm vi hàng trăm nghìn năm ánh sáng .

Cuộc săn lùng kéo dài nửa thế kỷ đã kết thúc, nhưng công việc thực sự chỉ mới bắt đầu. Các quan sát trong tương lai với ALMA, Chandra và Kính viễn vọng không gian James Webb sẽ theo dõi xem luồng gió này biến đổi như thế nào, cách nó liên kết với dòng bồi tụ được hé lộ bởi các quan sát về những đợt bùng phát và nhấp nháy từ JWST, và liệu những hình nón tương tự có ẩn mình ở trung tâm của các thiên hà lân cận khác hay không . Lúc này, vùng lõi của Dải Ngân Hà đã tiết lộ thêm một bí mật nữa—chứng minh rằng ngay cả những 'quái vật' im lặng nhất cũng có thể khuấy động cả vũ trụ.