Chuẩn tinh

Một hố đen ăn nhanh đến mức lấn át cả thiên hà của nó

Từng bước

Ngôi sao không phải sao

Năm 1963, Maarten Schmidt phát hiện một chấm sáng mờ tên 3C 273 không phải là sao: ánh sáng của nó đã bị vũ trụ giãn nở kéo dài trong hành trình khoảng 2 tỉ năm.

3C 273 lúc đầu được biết đến như một nguồn sóng vô tuyến, nguồn thứ 273 trong danh mục Cambridge thứ ba. Năm 1962 Mặt Trăng đi qua trước nó, và thời điểm sóng vô tuyến của nó tắt đi cho biết nó ở đâu. Ở đó là một ngôi sao trông bình thường, cấp sao 13, với một vệt mờ bên cạnh.

Quang phổ của nó thật khó hiểu cho đến khi Schmidt nhận ra đó là hoa văn quen thuộc của hiđrô, bị lệch gần 16% về phía đỏ. Chỉ sự giãn nở của vũ trụ mới làm được thế, nên ánh sáng của nó đã đi khoảng 2 tỉ năm. Thứ gì sáng đến vậy từ xa đến vậy hẳn phải mạnh khủng khiếp. Những thiên thể như thế được gọi là nguồn vô tuyến gần như sao: chuẩn tinh.

Sáng hơn một trăm Ngân Hà

3C 273 sáng như 4 nghìn tỉ Mặt Trời, khoảng một trăm lần cả Ngân Hà, và nhấp nháy chỉ trong vài ngày: toàn bộ ánh sáng ấy đến từ một vùng chỉ rộng vài ngày ánh sáng.

Quanh 3C 273 là một thiên hà elip khổng lồ, nhưng trong ảnh thường nó biến mất trong ánh chói của tâm. Chỉ với một kính che nhật hoa, che ánh sáng ở tâm như Mặt Trăng che Mặt Trời khi nhật thực, Hubble mới thấy rõ nó vào năm 2024.

Nếu 3C 273 chỉ cách 30 năm ánh sáng, nó sẽ sáng trên bầu trời ta như Mặt Trời. Thế nhưng ánh sáng của nó đổi trong vài ngày, và không gì có thể bừng sáng đồng loạt nhanh hơn thời gian ánh sáng đi ngang qua nó: nguồn sáng chỉ rộng vài ngày ánh sáng, cỡ Hệ Mặt Trời của chúng ta.

Thiên hà được vẽ theo mô hình đơn giản của một thiên hà elip khổng lồ; tâm sáng hơn bao nhiêu thì theo số đo.

Một hố đen đang ăn

Ở tâm là một hố đen nặng khoảng 260 triệu Mặt Trời. Khí xoắn ốc rơi vào bị nén và nung nóng trong một đĩa cho đến khi sáng hơn tất cả các ngôi sao của thiên hà cộng lại.

Gần như mọi thiên hà lớn đều có một hố đen siêu nặng ở tâm, và phần lớn đều yên ắng. Chuẩn tinh là hố đen đang được cho ăn: khí từ thiên hà của nó, thường bị khuấy lên bởi va chạm với thiên hà khác, rơi về phía nó nhanh hơn mức nó nuốt kịp.

Khí không thể rơi thẳng vào. Như nước xoáy quanh lỗ thoát, nó cuộn thành một đĩa dẹt, cọ xát với chính nó, mất năng lượng và từ từ xoắn vào trong, nóng dần lên. Bóng của hố đen và ánh sáng bị bẻ cong quanh nó được vẽ theo thuyết tương đối rộng; các vệt trên đĩa là vẽ minh họa.

Thứ ánh sáng dữ dội nhất

Gần hố đen, đĩa sáng chủ yếu ở dải tử ngoại. Rơi vào đó biến khoảng một phần mười khối lượng khí thành ánh sáng: gấp mười bốn lần phản ứng nhiệt hạch trong các ngôi sao.

Vật chất rơi về phía hố đen tăng tốc và nóng lên. Khi khí trong đĩa tới quỹ đạo bền trong cùng, cỡ vài lần kích thước chân trời sự kiện, khoảng một phần mười khối lượng của nó đã biến thành nhiệt và ánh sáng, và còn nhiều hơn nếu hố đen quay nhanh.

Mặt Trời, khi tổng hợp hiđrô thành heli, chỉ biến 0,7% khối lượng nó đốt thành năng lượng. Vì thế các hố đen đang ăn là những nguồn sáng ổn định mạnh nhất vũ trụ. Phía đĩa quay về phía ta trông sáng hơn và xanh hơn: khí chuyển động với phần lớn tốc độ ánh sáng phóng ánh sáng của nó về phía trước.

Tử ngoại là vô hình; đĩa được vẽ bằng màu của nhiệt độ nó.

Mây trên quỹ đạo nhanh

Xa hơn ra ngoài, các đám mây khí quay với tốc độ khoảng 3.000 km/s, cách tâm chừng 145 ngày ánh sáng. Năm 2018 một thiết bị tên GRAVITY đã thấy chúng quay, và nhờ đó cân được hố đen.

Ánh sáng chuẩn tinh có các vạch rộng: màu của mỗi nguyên tố bị nhòe ra vì khí phát ra chúng chuyển động hàng nghìn kilômét mỗi giây, một phần về phía ta và một phần ra xa. Những đám mây này được đĩa bên trong chiếu sáng.

Năm 2018 GRAVITY, thiết bị ghép bốn kính 8 mét của Kính Rất Lớn (VLT) của ESO thành một, đã đo ánh sáng của mây đến từ đâu trên 3C 273 và thấy chúng quay: một bên tiến về phía ta, bên kia lùi ra xa. Tốc độ quay ở khoảng cách đó cho ra khối lượng hố đen, khoảng 260 triệu Mặt Trời (GRAVITY Collaboration 2018).

Màu của mây là vẽ minh họa: xanh khi tiến tới, đỏ khi lùi xa. Chuyển động quay được tăng tốc; một vòng thật sự mất nhiều thế kỷ.

Luồng phụt băng qua thiên hà

Một phần khí không bao giờ rơi vào. Bị phóng dọc trục với tốc độ gần bằng ánh sáng, nó tạo thành luồng phụt dài 200.000 năm ánh sáng, gấp đôi bề rộng Ngân Hà.

Gần hố đen, từ trường bị đĩa và hố đen quay cuộn lại phóng một ít khí dọc trục với tốc độ gần bằng ánh sáng. Khoảng một chuẩn tinh trên mười có luồng phụt đủ mạnh để sáng rực trong sóng vô tuyến.

Luồng phụt của 3C 273 thấy được ngay cả trong ảnh Hubble thông thường, một vệt dài khoảng 200.000 năm ánh sáng. Các cục sáng trong đó dường như lao ra nhanh hơn ánh sáng: một ảo giác, vì chúng chuyển động gần như thẳng về phía ta với tốc độ gần bằng ánh sáng, nên ánh sáng của chúng đến dồn lại. Luồng song sinh hướng ra xa ta thì quá mờ để thấy.

Luồng phụt được vẽ màu xanh nhạt, như trong ảnh của Hubble.

Sáng nhất trong tất cả

Chuẩn tinh sáng nhất từng biết, J0529-4351, sáng như 500 nghìn tỉ Mặt Trời. Hố đen của nó, nặng 17 tỉ Mặt Trời, mỗi ngày nuốt lượng khí hơn một Mặt Trời.

J0529-4351 sáng đến mức suốt nhiều thập kỷ các cuộc khảo sát bầu trời xếp nó là một ngôi sao. Năm 2024 một nhóm do Christian Wolf dẫn đầu đã dùng Kính Rất Lớn của ESO cho thấy nó là một chuẩn tinh có ánh sáng khởi hành hơn 12 tỉ năm trước.

Hố đen của nó nặng khoảng 17 tỉ lần Mặt Trời và vẫn đang lớn lên. Đĩa nuôi nó rộng khoảng 7 năm ánh sáng, lớn nhất từng biết, và sáng như hơn 500 nghìn tỉ Mặt Trời (Wolf và cộng sự 2024).

Đĩa được vẽ theo kích thước đo được. Bóng của hố đen ở giữa quá nhỏ để thấy ở tỉ lệ này.

Kỷ nguyên chuẩn tinh

Chuẩn tinh phổ biến nhất vào khoảng 10 tỉ năm trước, khi các thiên hà còn trẻ và đầy khí. Phần lớn từ đó đã cạn thức ăn, và chuẩn tinh sáng ngày nay rất hiếm.

Vì ánh sáng cần thời gian để tới, những chuẩn tinh xa nhất cũng là những chuẩn tinh cổ nhất. Đếm chúng ở từng khoảng cách cho thấy chuẩn tinh sáng từng phổ biến hơn ngày nay khoảng một trăm lần vào 10 đến 11 tỉ năm trước.

Khi đó các thiên hà giàu khí và thường va chạm, đẩy khí vào tâm của chúng. Khi khí đã dùng hết để tạo sao hoặc bị thổi bay, phần lớn hố đen im lặng. Nhiều thiên hà khổng lồ ngày nay mang trong mình những hố đen đang ngủ của các chuẩn tinh xưa.

Biểu đồ cho hình dạng gần đúng mà các cuộc khảo sát tìm thấy. Việc chuẩn tinh mờ dần ở đây là vẽ minh họa.

Hố đen của chính chúng ta

Hố đen của Ngân Hà, Sagittarius A*, nặng 4,3 triệu Mặt Trời và hầu như không ăn. Nhưng hai bong bóng tia gamma khổng lồ phía trên và dưới thiên hà cho thấy nó từng bùng lên vài triệu năm trước.

Sagittarius A* nhẹ hơn hố đen của 3C 273 khoảng sáu mươi lần và gần như đói lả: nó chỉ sáng như vài trăm Mặt Trời, chủ yếu dưới dạng sóng vô tuyến và tia X.

Năm 2010 kính thiên văn không gian Fermi tìm thấy hai thùy tia gamma khổng lồ, mỗi thùy vươn khoảng 25.000 năm ánh sáng lên trên và xuống dưới tâm thiên hà. Kích thước và hình dạng của chúng gợi ý một vụ bùng nổ từ tâm vài triệu năm trước, có lẽ khi Sagittarius A* có bữa ăn lớn gần nhất.

Các bong bóng vô hình với mắt; ở đây chúng được vẽ màu tím. Ngân Hà được vẽ theo mô hình đơn giản.

Những ngọn hải đăng không bao giờ dịch chuyển

Chuẩn tinh ở xa đến mức chúng dường như không bao giờ di chuyển. Các nhà thiên văn dùng hàng nghìn chuẩn tinh làm điểm cố định để đo mọi vị trí trên bầu trời.

Các ngôi sao trôi dần trên bầu trời theo năm tháng khi chúng di chuyển trong thiên hà. Chuẩn tinh, cách hàng tỉ năm ánh sáng, đứng yên, nên chúng là những mốc tốt nhất có được.

Hệ quy chiếu thiên cầu quốc tế, dùng để dẫn đường tàu vũ trụ và theo dõi sự quay của Trái Đất, được xây dựng trên vị trí của 4.536 nguồn vô tuyến xa, phần lớn là chuẩn tinh, do các kính thiên văn vô tuyến khắp thế giới đo (ICRF3, 2018). Tàu Gaia neo bản đồ gần hai tỉ ngôi sao của mình vào khoảng 1,6 triệu chuẩn tinh.

Các vòng đánh dấu chuẩn tinh như trên bản đồ; các chấm bên trong là vẽ minh họa.

Vật thể trong câu chuyện

TON 618