Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà thiên văn học nghiên cứu về sự tiến hóa của thiên hà từ lâu đã phải vật lộn để tìm hiểu nguyên nhân khiến sự hình thành sao ngừng hoạt động trong các thiên hà khổng lồ. Mặc dù nhiều lý thuyết đã được đề xuất để giải thích quá trình này, được gọi là ” dập tắt ‘,’ vẫn chưa có sự đồng thuận về một mô hình thỏa đáng. Giờ đây, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã đề xuất một mô hình mới giải thích thành công một loạt các quan sát về cấu trúc thiên hà, các lỗ đen siêu lớn và sự dập tắt của sự hình thành sao.
Các nhà thiên văn học nghiên cứu về sự tiến hóa của thiên hà từ lâu đã phải vật lộn để tìm hiểu nguyên nhân khiến sự hình thành sao ngừng hoạt động trong các thiên hà khổng lồ. Mặc dù nhiều lý thuyết đã được đề xuất để giải thích quá trình này được gọi là “dập tắt” vẫn không có sự đồng thuận về một mô hình thỏa đáng.
Giờ đây, một nhóm quốc tế do Sandra Faber, giáo sư thiên văn học và vật lý thiên văn tại UC Santa Cruz đã đề xuất một mô hình mới giải thích thành công một loạt các quan sát về cấu trúc thiên hà, các lỗ đen siêu lớn và sự hình thành sao. Các nhà nghiên cứu đã trình bày những phát hiện của họ trong một bài báo xuất bản ngày 1 tháng 7 trên Tạp chí Vật lý thiên văn (Astrophysical Journal).
Mô hình này hỗ trợ một trong những ý tưởng hàng đầu về việc dập tắt “phản hồi” của lỗ đen, năng lượng được giải phóng vào thiên hà và môi trường xung quanh từ một lỗ đen siêu lớn trung tâm khi vật chất rơi vào lỗ đen và nuôi dưỡng sự phát triển của nó. Phản hồi tràn đầy năng lượng này làm nóng, đẩy ra hoặc làm gián đoạn nguồn cung cấp khí của thiên hà, ngăn chặn luồng khí từ quầng sáng của thiên hà tạo ra sự hình thành sao.
“Ý tưởng là trong các thiên hà hình thành sao, lỗ đen trung tâm giống như một loại ký sinh trùng cuối cùng phát triển và giết chết vật chủ”, Faber giải thích. “Điều đó đã được nói trước đây, nhưng chúng tôi chưa có quy tắc rõ ràng để nói khi nào một lỗ đen đủ lớn để đóng cửa sự hình thành sao trong thiên hà chủ của nó, và bây giờ chúng tôi có các quy tắc định lượng thực sự hoạt động để giải thích các quan sát của chúng tôi.”
Ý tưởng cơ bản liên quan đến mối quan hệ giữa khối lượng của các ngôi sao trong một thiên hà (khối sao), mức độ lan rộng của các ngôi sao đó (bán kính của thiên hà) và khối lượng của lỗ đen trung tâm. Đối với các thiên hà hình thành sao có khối lượng sao cho trước, mật độ sao ở trung tâm thiên hà tương quan với bán kính của thiên hà để các thiên hà có bán kính lớn hơn có mật độ sao trung tâm thấp hơn. Giả sử rằng khối lượng của lỗ đen trung tâm quy mô với mật độ sao trung tâm, các thiên hà hình thành sao có bán kính lớn hơn (tại một khối sao đã cho) sẽ có khối lượng lỗ đen thấp hơn.
Điều đó có nghĩa là các thiên hà lớn hơn (những thiên hà có bán kính lớn hơn cho một khối sao đã cho) phải tiến hóa hơn nữa và tạo ra một khối sao cao hơn trước khi các lỗ đen trung tâm của chúng có thể phát triển đủ lớn để dập tắt sự hình thành sao. Do đó, các thiên hà có bán kính nhỏ dập tắt ở khối lượng thấp hơn các thiên hà có bán kính lớn.
Đó là một cái nhìn sâu sắc mới, rằng nếu các thiên hà có bán kính lớn có các lỗ đen nhỏ hơn ở một khối sao cho trước và nếu phản hồi của lỗ đen rất quan trọng để làm dịu, thì các thiên hà có bán kính lớn phải phát triển hơn nữa. Nếu chúng ta kết hợp tất cả các giả định này thì thật đáng kinh ngạc, chúng ta có thể tái tạo một số lượng lớn các xu hướng quan sát được trong các tính chất cấu trúc của các thiên hà.
Điều này giải thích tại sao các thiên hà bị dập tắt lớn hơn có mật độ sao trung tâm cao hơn, bán kính lớn hơn và các lỗ đen trung tâm lớn hơn.
Dựa trên mô hình này, các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng quá trình làm nguội bắt đầu khi tổng năng lượng phát ra từ lỗ đen xấp xỉ gấp bốn lần năng lượng liên kết hấp dẫn của khí trong quầng thiên hà. Năng lượng liên kết đề cập đến lực hấp dẫn giữ khí trong quầng sáng của vật chất tối bao trùm thiên hà. Quá trình làm nguội hoàn thành khi tổng năng lượng phát ra từ lỗ đen gấp hai mươi lần năng lượng liên kết của khí trong quầng thiên hà.
Faber nhấn mạnh rằng mô hình chưa giải thích chi tiết các cơ chế vật lý liên quan đến việc dập tắt sự hình thành sao. Các quy trình vật lý quan trọng mà lý thuyết đơn giản này gợi lên vẫn chưa được hiểu. Tuy nhiên, ưu điểm của điều này là việc có các quy tắc đơn giản cho mỗi bước trong quy trình thách thức các nhà lý thuyết đưa ra các cơ chế vật lý giải thích từng bước.
Các nhà thiên văn học đã quen với việc suy nghĩ theo các sơ đồ biểu đồ mối quan hệ giữa các tính chất khác nhau của các thiên hà và chỉ ra cách chúng thay đổi theo thời gian. Những sơ đồ này cho thấy sự khác biệt lớn về cấu trúc giữa các thiên hà hình thành sao và dập tắt và ranh giới sắc nét giữa chúng. Do sự hình thành sao phát ra rất nhiều ánh sáng ở đầu màu xanh của phổ màu, nên các nhà thiên văn học đề cập đến các thiên hà hình thành sao “xanh”, các thiên hà yên tĩnh “đỏ” và “thung lũng xanh” là sự chuyển tiếp giữa chúng. Giai đoạn nào một thiên hà đang ở được tiết lộ bởi tốc độ hình thành sao của nó.
Một trong những kết luận của nghiên cứu là tốc độ tăng trưởng của các lỗ đen phải thay đổi khi các thiên hà phát triển từ giai đoạn này sang giai đoạn tiếp theo. Bằng chứng quan sát cho thấy hầu hết sự tăng trưởng của lỗ đen xảy ra trong thung lũng xanh khi các thiên hà đang bắt đầu tắt dần.
Lỗ đen dường như được giải phóng ngay khi quá trình hình thành sao chậm lại. Đây là một sự mặc khải, bởi vì nó giải thích tại sao các khối lỗ đen trong các thiên hà hình thành sao tuân theo một quy mô tỷ lệ, trong khi các lỗ đen trong các thiên hà bị dập tắt tuân theo một quy mô tỷ lệ khác. Điều đó có ý nghĩa nếu khối lượng lỗ đen phát triển nhanh chóng trong thung lũng xanh.
Faber và các cộng tác viên của cô đã thảo luận về những vấn đề này trong nhiều năm. Từ năm 2010, Faber đã đồng điều hành một chương trình khảo sát thiên hà lớn của Kính viễn vọng Không gian Hubble (CANDELS, Khảo sát Di sản ngoài vũ trụ sâu cận hồng ngoại của vũ trụ), đã tạo ra dữ liệu được sử dụng trong nghiên cứu này. Khi phân tích dữ liệu CANDELS, cô đã hợp tác chặt chẽ với một nhóm do Joel Primack, giáo sư vật lý của UCSC, người đã phát triển mô phỏng vũ trụ Bolshoi về sự tiến hóa của halos vật chất tối trong đó các thiên hà hình thành. Những quầng sáng này cung cấp giàn giáo mà theo đó lý thuyết xây dựng giai đoạn hình thành sao sớm của quá trình tiến hóa thiên hà trước khi dập tắt.
Các ý tưởng trung tâm trong bài báo xuất hiện từ các phân tích dữ liệu của CANDELS và lần đầu tiên tấn công Faber khoảng bốn năm trước. “Nó đột nhiên nhảy ra khỏi tôi và tôi nhận ra nếu chúng ta kết hợp tất cả những thứ này lại với nhau – nếu các thiên hà có quỹ đạo đơn giản trong bán kính so với khối lượng, và nếu năng lượng lỗ đen cần khắc phục năng lượng liên kết quầng – nó có thể giải thích tất cả những xiên này ranh giới trong sơ đồ cấu trúc của các thiên hà, “cô chia sẻ.
Vào thời điểm đó, Faber đang thực hiện các chuyến đi thường xuyên đến Trung Quốc, nơi cô đã tham gia vào các hoạt động hợp tác nghiên cứu và các hoạt động khác. Cô là giáo sư thỉnh giảng tại Đại học Sư phạm Thượng Hải, nơi cô gặp tác giả đầu tiên Zhu Chen. Chen đã đến UC Santa Cruz vào năm 2017 với tư cách là một nhà nghiên cứu đến thăm và bắt đầu làm việc với Faber để phát triển những ý tưởng này về việc dập tắt thiên hà.
“Cô ấy rất giỏi toán, giỏi hơn tôi và cô ấy đã làm tất cả các tính toán cho bài báo này”, Faber nói.
Faber cũng tin rằng cộng tác viên lâu năm của cô David Koo, giáo sư danh dự của thiên văn học và vật lý thiên văn, đã tập trung chú ý vào mật độ trung tâm của các thiên hà như là chìa khóa cho sự phát triển của các lỗ đen trung tâm.
Trong số các câu đố được giải thích bởi mô hình mới này là một sự khác biệt nổi bật giữa thiên hà Milky Way của chúng ta và người hàng xóm rất giống Andromeda. “Dải ngân hà và Andromeda có khối lượng sao gần như nhau, nhưng lỗ đen của Andromeda lớn hơn gần 50 lần so với dải ngân hà”, Faber nói. “Ý tưởng rằng các lỗ đen mọc rất nhiều trong thung lũng xanh đi một chặng đường dài để giải thích bí ẩn này. Dải ngân hà chỉ đi vào thung lũng xanh và lỗ đen của nó vẫn còn nhỏ, trong khi Andromeda chỉ thoát ra nên lỗ đen của nó đã phát triển lớn hơn nhiều, và nó cũng bị dập tắt nhiều hơn dải Ngân hà. “
Ngoài Faber, Chen, Koo và Primack, các đồng tác giả của bài báo bao gồm các nhà nghiên cứu tại một số hai chục tổ chức ở bảy quốc gia. Công trình này được tài trợ bởi các khoản tài trợ từ NASA và Quỹ khoa học quốc gia.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học California – Santa Cruz . Bản gốc được viết bởi Tim Stephens. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :