Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học cuối cùng đã tìm ra thời điểm chính xác của một điệu nhảy phức tạp giữa hai lỗ đen khổng lồ, tiết lộ những chi tiết ẩn giấu về đặc điểm vật lý của những vật thể vũ trụ bí ẩn này.
Lỗ đen không đứng yên trong không gian; mà trong thực tế, chúng có thể khá tích cực trong các phong trào của chúng. Nhưng vì chúng hoàn toàn tối và không thể quan sát trực tiếp nên chúng không dễ nghiên cứu. Các nhà khoa học cuối cùng đã tìm ra thời điểm chính xác của một điệu nhảy phức tạp giữa hai lỗ đen khổng lồ, tiết lộ những chi tiết ẩn giấu về đặc điểm vật lý của những vật thể vũ trụ bí ẩn này.
Thiên hà OJ 287 chứa một trong những lỗ đen lớn nhất từng được tìm thấy với khối lượng lớn hơn 18 tỷ lần so với Mặt trời của chúng ta. Bay trên hành tinh này là một lỗ đen khác với khối lượng gấp 150 triệu lần Mặt trời. Cứ sau 12 năm, lỗ đen nhỏ hơn lại đâm xuyên qua đĩa khí khổng lồ bao quanh người bạn đồng hành lớn hơn của nó, tạo ra một tia sáng sáng hơn cả nghìn tỷ ngôi sao – sáng hơn, thậm chí, hơn cả thiên hà Milky Way. Ánh sáng phải mất 3,5 tỷ năm để đến Trái đất.
Nhưng quỹ đạo của lỗ đen nhỏ hơn là hình thuôn, không phải hình tròn và không đều: Nó dịch chuyển vị trí với mỗi vòng quanh lỗ đen lớn hơn và nghiêng so với đĩa khí. Khi lỗ đen nhỏ hơn đâm vào đĩa, nó sẽ tạo ra hai bong bóng khí nóng đang di chuyển ra khỏi đĩa theo hướng ngược lại, và trong vòng chưa đầy 48 giờ, hệ thống xuất hiện tăng gấp bốn lần độ sáng.
Do quỹ đạo không đều, lỗ đen va chạm với đĩa vào các thời điểm khác nhau trong mỗi quỹ đạo 12 năm. Đôi khi các pháo sáng xuất hiện cách nhau một năm; lần khác, cách nhau 10 năm. Nỗ lực mô hình quỹ đạo và dự đoán khi nào pháo sáng sẽ xảy ra trong nhiều thập kỷ nhưng vào năm 2010, các nhà khoa học đã tạo ra một mô hình có thể dự đoán sự xuất hiện của chúng trong khoảng một đến ba tuần. Họ đã chứng minh rằng mô hình của họ là chính xác bằng cách dự đoán sự xuất hiện của ngọn lửa vào tháng 12 năm 2015 đến trong vòng ba tuần.
Sau đó vào năm 2018, một nhóm các nhà khoa học do Lankeswar Dey, một sinh viên tốt nghiệp tại Viện nghiên cứu cơ bản Tata ở Mumbai, Ấn Độ, đã xuất bản một bài báo với một mô hình thậm chí chi tiết hơn mà họ tuyên bố sẽ có thể dự đoán thời điểm xảy ra các đợt bùng phát trong tương lai trong vòng bốn giờ. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn , những nhà khoa học này báo cáo rằng dự đoán chính xác của họ về một ngọn lửa xảy ra vào ngày 31 tháng 7 năm 2019, xác nhận mô hình là chính xác.
Việc quan sát ngọn lửa đó gần như không xảy ra. Do OJ 287 ở phía đối diện với Mặt trời từ Trái đất, ngoài tầm nhìn của tất cả các kính viễn vọng trên mặt đất và trên quỹ đạo Trái đất, lỗ đen sẽ không quay trở lại trong tầm nhìn của các kính viễn vọng đó cho đến đầu tháng 9, rất lâu sau khi ngọn lửa bùng phát đã bị mờ. Nhưng hệ thống này nằm trong tầm ngắm của Kính viễn vọng Không gian Spitzer của NASA, cơ quan đã nghỉ hưu vào tháng 1 năm 2020.
Sau 16 năm hoạt động, quỹ đạo của tàu vũ trụ đã đặt nó 158 triệu dặm (254 triệu km) từ Trái đất, hoặc hơn 600 lần so với khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trăng. Từ điểm thuận lợi này, Spitzer có thể quan sát hệ thống từ ngày 31 tháng 7 (cùng ngày dự kiến ngọn lửa sẽ xuất hiện) đến đầu tháng 9, khi OJ 287 có thể quan sát được bằng kính viễn vọng trên Trái đất.
Seppo Laine – người giám sát các quan sát của Spitzer về hệ thống, một nhà khoa học nhân viên tại Caltech / IPAC ở Pasadena, California chia sẻ: “Khi tôi lần đầu tiên kiểm tra khả năng hiển thị của OJ 287, tôi đã bị sốc khi thấy rằng Spitzer có thể nhìn thấy được ngay vào ngày khi ngọn lửa tiếp theo được dự đoán sẽ xảy ra. Thật may mắn khi chúng tôi có thể nắm bắt được đỉnh cao của ngọn lửa này với Spitzer, bởi vì không có nhạc cụ nhân tạo nào khác có khả năng đạt được kỳ tích này vào thời điểm cụ thể đó.”
Gợn sóng trong không gian
Các nhà khoa học thường mô hình quỹ đạo của các vật thể nhỏ trong hệ mặt trời của chúng ta, giống như một sao chổi bay vòng quanh Mặt trời, có tính đến các yếu tố sẽ ảnh hưởng đáng kể nhất đến chuyển động của chúng. Đối với sao chổi đó, lực hấp dẫn của Mặt trời thường là lực chi phối, nhưng lực hấp dẫn của các hành tinh gần đó cũng có thể thay đổi đường đi của nó.
Xác định chuyển động của hai lỗ đen khổng lồ phức tạp hơn nhiều. Các nhà khoa học phải tính đến các yếu tố có thể không ảnh hưởng đáng kể đến các vật thể nhỏ hơn; trưởng trong số chúng là một cái gì đó gọi là sóng hấp dẫn. Thuyết tương đối rộng của Einstein mô tả lực hấp dẫn như sự cong vênh của không gian bởi khối lượng của một vật thể. Khi một vật thể di chuyển trong không gian, các biến dạng biến thành sóng. Einstein đã dự đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn vào năm 1916, nhưng chúng không được quan sát trực tiếp cho đến năm 2015 bởi Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO).
Khối lượng của một vật thể càng lớn, sóng hấp dẫn mà nó tạo ra càng lớn và mạnh mẽ hơn. Trong hệ thống OJ 287, các nhà khoa học dự đoán sóng hấp dẫn sẽ lớn đến mức chúng có thể mang đủ năng lượng ra khỏi hệ thống để thay đổi đáng kể quỹ đạo của lỗ đen nhỏ hơn – và do đó thời gian của pháo sáng.
Trong khi các nghiên cứu trước đây về OJ 287 đã chiếm sóng hấp dẫn thì mô hình năm 2018 là chi tiết nhất. Bằng cách kết hợp thông tin thu thập được từ các phát hiện sóng hấp dẫn của LIGO, nó sẽ tinh chỉnh cửa sổ trong đó một ngọn lửa dự kiến sẽ xảy ra chỉ sau 1 ngày rưỡi.
Để tiếp tục tinh chỉnh dự đoán về pháo sáng chỉ trong bốn giờ, các nhà khoa học đã gấp lại chi tiết về các đặc điểm vật lý của lỗ đen lớn hơn. Cụ thể, mô hình mới kết hợp một cái gì đó gọi là định lý “không có tóc” của các lỗ đen.
Được xuất bản vào những năm 1960 bởi một nhóm các nhà vật lý bao gồm Stephen Hawking, định lý đưa ra dự đoán về bản chất của “bề mặt” lỗ đen. Trong khi các lỗ đen không có bề mặt thật, các nhà khoa học biết rằng có một ranh giới xung quanh chúng vượt ra ngoài mà không thứ gì – thậm chí không có ánh sáng – có thể thoát ra. Một số ý kiến cho rằng cạnh ngoài, được gọi là chân trời sự kiện, có thể gập ghềnh hoặc không đều, nhưng định lý “không có tóc” cho rằng “bề mặt” không có những đặc điểm như vậy, thậm chí “không có tóc” (tên của định lý là một trò đùa).
Nói cách khác, nếu người ta cắt lỗ đen xuống giữa dọc theo trục quay của nó, bề mặt sẽ đối xứng. (Trục quay của Trái đất gần như hoàn toàn thẳng hàng với các cực Bắc và Nam của nó. Nếu bạn cắt hành tinh này một nửa dọc theo trục đó và so sánh hai nửa, bạn sẽ thấy rằng hành tinh của chúng ta hầu hết là đối xứng, mặc dù các đặc điểm như đại dương và núi các biến thể nhỏ giữa các nửa.)
Tìm đối xứng
Vào những năm 1970, giáo sư danh dự của Caltech Kip Thorne đã mô tả cách kịch bản này – một vệ tinh quay quanh một lỗ đen khổng lồ – có khả năng tiết lộ liệu bề mặt của lỗ đen có trơn tru hay gập ghềnh hay không. Bằng cách dự đoán chính xác quỹ đạo của lỗ đen nhỏ hơn với độ chính xác như vậy, mô hình mới hỗ trợ định lý không có tóc, nghĩa là sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về các vật thể vũ trụ kỳ lạ này là chính xác. Nói cách khác, hệ thống OJ 287 hỗ trợ ý tưởng rằng các bề mặt lỗ đen đối xứng dọc theo trục quay của chúng.
Vậy làm thế nào để độ mịn của bề mặt lỗ đen khổng lồ ảnh hưởng đến thời gian của quỹ đạo của lỗ đen nhỏ hơn? Quỹ đạo đó được xác định chủ yếu bởi khối lượng của lỗ đen lớn hơn. Nếu nó phát triển lớn hơn hoặc trút bỏ một phần sức mạnh của nó, điều đó sẽ thay đổi kích thước quỹ đạo của lỗ đen nhỏ hơn. Nhưng việc phân phối các vấn đề đại chúng là tốt. Một chỗ phình to ở một bên của lỗ đen lớn hơn sẽ làm biến dạng không gian xung quanh nó khác với nếu lỗ đen đối xứng. Điều đó sau đó sẽ thay đổi đường đi của lỗ đen nhỏ hơn khi nó quay quanh người bạn đồng hành của nó và thay đổi đáng kể thời gian va chạm của lỗ đen với đĩa trên quỹ đạo cụ thể đó.
Mauri Valtonen, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Turku, Phần Lan và một đồng tác giả trên giấy cho biết: “Điều quan trọng đối với các nhà khoa học lỗ đen là chúng tôi chứng minh hoặc bác bỏ định lý “không có tóc”. Nếu không có nó, chúng tôi không thể tin rằng các lỗ đen như Hawking và những người khác dự tính tồn tại”.
Dữ liệu khoa học của Spitzer tiếp tục được phân tích bởi cộng đồng khoa học thông qua kho lưu trữ dữ liệu Spitzer đặt tại Kho lưu trữ khoa học hồng ngoại được đặt tại IPAC tại Caltech ở Pasadena. JPL quản lý các hoạt động sứ mệnh của Spitzer cho Ban Giám đốc Sứ mệnh Khoa học của NASA tại Washington. Hoạt động khoa học được thực hiện tại Trung tâm Khoa học Spitzer tại IPAC tại Caltech. Các hoạt động của tàu vũ trụ được đặt tại Lockheed Martin Space ở Littleton, Colorado. Caltech quản lý JPL cho NASA.
Để biết thêm thông tin về Spitzer, hãy truy cập:
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm sức đẩy của NASA / Jet . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Đa phương tiện liên quan :
Tạp chí tham khảo :