Ngôi sao bị xé nát

Cách một lỗ đen xé nát ngôi sao đến quá gần, và thắp sáng trái tim của một thiên hà

Từng bước

Một ngôi sao đến gần

Gần như mọi thiên hà lớn đều có một lỗ đen khổng lồ ở trung tâm. Lỗ đen của Ngân Hà, Nhân Mã A*, nặng gấp bốn triệu lần Mặt Trời; lỗ đen này nặng gấp một triệu lần, mức điển hình của những lỗ đen bị bắt gặp đang xé nát sao. Các ngôi sao chen chúc quanh những lỗ đen như vậy theo quỹ đạo riêng, và thỉnh thoảng hai ngôi sao lướt qua nhau gần đến mức một ngôi bị văng vào một đường lao thẳng tới lỗ đen.

Bản thân lỗ đen nhỏ so với khối lượng của nó. Chân trời sự kiện của nó, bề mặt mà từ bên trong ngay cả ánh sáng cũng không thoát ra được, rộng khoảng bốn lần Mặt Trời. Lực hấp dẫn của nó bẻ cong ánh sáng của những ngôi sao phía sau, vì thế bầu trời quanh cái bóng đen của nó trông bị méo mó.

Vòng nét đứt là bán kính thủy triều. Bên ngoài nó, lực hấp dẫn của chính ngôi sao giữ nó nguyên vẹn. Bên trong, không gì làm được.

Bị kéo dài

Lỗ đen kéo phía gần của ngôi sao mạnh hơn phía xa. Gần bán kính thủy triều, chênh lệch đó, tức là lực thủy triều, mạnh ngang lực hấp dẫn của chính ngôi sao, và ngôi sao bị kéo dài ra.

Thủy triều không chỉ có ở lỗ đen. Mặt Trăng gây ra thủy triều trên các đại dương của Trái Đất vì nó kéo phía Trái Đất hướng về nó mạnh hơn. Ở đây lực kéo thay đổi theo khoảng cách dốc đến mức, chỉ qua bề rộng một ngôi sao, chênh lệch đã vượt quá lực hấp dẫn của chính ngôi sao.

Các nhà thiên văn gọi đây là hiện tượng mì spaghetti hóa, vì mọi thứ rơi vào đều bị kéo dài và mảnh. Với một lỗ đen nặng một triệu Mặt Trời, một ngôi sao như Mặt Trời chạm tới điểm đó ở cách lỗ đen khoảng 70 triệu km: một nửa khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời, và vẫn còn rất xa bên ngoài chân trời.

Mọi việc diễn ra rất nhanh. Lao đi với tốc độ hàng chục nghìn km mỗi giây, ngôi sao chỉ mất khoảng 18 phút để đi từ bán kính thủy triều đến điểm gần nhất.

Bị xé nát

Không có gì nổ tung. Ngôi sao chỉ đơn giản thôi không còn là một khối: khí của nó giữ nguyên tốc độ vốn có, nhưng mỗi phần ở một khoảng cách hơi khác đến lỗ đen, nên mỗi phần đi theo một quỹ đạo hơi khác. Bị ép dẹt khi lướt qua, rồi bị kéo giãn, ngôi sao trở thành một dòng khí dài và mảnh.

Phía từng ở gần lỗ đen hơn di chuyển hơi chậm để thoát ra, và giờ bị lỗ đen giữ lại. Phía xa di chuyển hơi nhanh, và sẽ không bao giờ quay lại. Chênh lệch nhỏ đó quyết định mọi điều xảy ra sau đó.

Các mô phỏng máy tính cho thấy cả ngôi sao bị tháo tung chỉ trong vài giờ.

Một dòng sông khí

Chỉ trong vài ngày, dòng khí đã dài hơn khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời. Nửa bị giữ lại, gần lỗ đen hơn, đang chậm dần và sẽ rơi trở lại; nửa kia bay đi mãi mãi.

Dòng khí vẫn mảnh vì lực hấp dẫn của chính nó giữ nó lại từ hai bên, ngay cả khi nó dài ra gấp hàng nghìn lần ngôi sao. Khí nguội đi khi lan rộng, nên dòng khí thật khá mờ. Kính thiên văn không nhìn thấy nó, nhưng mô phỏng theo dõi nó rất sát.

Khí được chia ra thế nào là do năng lượng mà mỗi phần mang theo: trong ngôi sao, phần nào nằm càng gần lỗ đen thì càng bị giữ chặt. Khí bị giữ chặt nhất nằm trên quỹ đạo đưa nó ra xa khoảng 46 lần khoảng cách Trái Đất – Mặt Trời trước khi quay đầu.

Vòng nét đứt là quỹ đạo của Trái Đất, vẽ cùng tỉ lệ.

Một nửa bay đi

Khí thoát ra mang một nửa khối lượng ngôi sao vào thiên hà. Với tốc độ hàng nghìn km mỗi giây, nó sẽ trôi giữa các vì sao hàng triệu năm: một vòng cung khí mảnh từng là một mặt trời.

Khí bị giữ lại đi trên những quỹ đạo dài và hẹp quanh lỗ đen, như sao chổi quanh Mặt Trời. Khí từng nằm gần lỗ đen nhất có quỹ đạo ngắn nhất và quay về trước tiên; phần còn lại theo sau trong nhiều tháng, nhiều năm, mỗi lúc một ít hơn.

Vòng nét đứt là quỹ đạo của Sao Hải Vương, đúng tỉ lệ. Dòng khí sớm vươn xa vượt quá kích thước của cả hệ hành tinh chúng ta.

Quay trở lại

Trong lực hấp dẫn của Newton, một quỹ đạo khép kín lại chính nó. Gần lỗ đen thì không: thuyết của Einstein khiến mỗi quỹ đạo xoay thêm một chút, như quỹ đạo Sao Thủy quanh Mặt Trời, chỉ là ở đây khoảng 23 độ mỗi vòng chứ không phải chừng một sợi tóc.

Vì thế khí vừa vòng qua lỗ đen lại bay ra theo một đường hơi khác và đâm vào dòng khí vẫn đang rơi vào, ở cách khoảng 16 lần khoảng cách Trái Đất – Mặt Trời. Vụ va chạm làm khí nóng lên và lấy mất tốc độ của nó, và dần dần khí lắng lại thành một đĩa nóng, xoáy quanh lỗ đen.

Chính xác thì khí quay về trở thành đĩa như thế nào vẫn đang được nghiên cứu, bằng một số mô phỏng lớn nhất trong thiên văn học.

Bùng sáng

Kính thiên văn bắt được những vụ bùng sáng này như một sự sáng lên đột ngột ngay chính giữa một thiên hà vốn yên tĩnh. AT2019qiz, được phát hiện năm 2019 trong một thiên hà cách 215 triệu năm ánh sáng, là vụ gần nhất cho đến nay; độ sáng và nhiệt độ của vụ bùng sáng ở đây là các giá trị đo được, còn diễn biến theo thời gian lấy từ mô hình đơn giản nhất.

Ánh sáng nhìn thấy của nó đến từ một đám mây khí nóng quanh lỗ đen, rộng gấp hàng chục lần quỹ đạo Trái Đất, bị vụ bùng sáng thổi ra và được chiếu sáng từ bên trong. Bản thân cái đĩa, sâu hơn ở trong, chủ yếu phát sáng bằng tia cực tím và tia X.

Gần lỗ đen, lực hấp dẫn của nó bẻ cong ánh sáng của đĩa, nên phía xa của đĩa hiện ra phía trên và phía dưới cái bóng đen.

Mờ dần

Mỗi ngày lượng khí quay về ít đi, nên vụ bùng sáng mờ dần, như biểu đồ cho thấy. Trong vài năm nó gần như biến mất, và lỗ đen lại im lặng.

Lượng khí quay về thưa dần theo một cách bắt nguồn từ việc năng lượng của dòng khí được chia ra thế nào: tốc độ giảm như thời gian mũ âm năm phần ba. Ánh sáng của nhiều vụ bùng sáng mờ đi đúng như vậy, một trong những dấu hiệu rõ nhất cho thấy chúng thực sự là những ngôi sao bị xé nát.

Khoảng một nửa ngôi sao rơi trở lại. Một phần bị nuốt và phần lớn lại bị sức nóng thổi bay đi. Lỗ đen chỉ nặng thêm một phần nhỏ của một Mặt Trời: gần như chẳng thay đổi gì với một vật nặng gấp một triệu lần.

Trong một thiên hà như của chúng ta, chuyện này xảy ra khoảng một lần mỗi 10.000 đến 100.000 năm. Vì có quá nhiều thiên hà để theo dõi, các kính thiên văn khảo sát nay tìm thấy hàng chục vụ mỗi năm, và Đài quan sát Vera C. Rubin ở Chile được kỳ vọng sẽ tìm thấy hàng nghìn.