Lỗ đen vũ trụ -– ‘kẻ vừa ăn cắp vừa la làng’

Các nhà vật lý học thiên thể đã sử dụng siêu máy tính để mô phỏng ánh sáng bừng lên sau khi một ngôi sao bị xé tan trong lỗ đen tại trung tâm của một thiên hà xa xôi.

“Nghiên cứu cho thấy vết lóa này có biểu hiện đặc trưng như là một hàm số về thời gian. Ánh sáng ban đầu rất rực rỡ và sau đó độ sáng giảm dần theo thời gian với một cách thức đặc biệt,” Tamara Bogdanovic, một trợ giáo sư (assistant professor) bộ môn vật lý tại Viện Công nghệ Georgia cho biết. “Các nhà thiên văn đã xác định được hiện tượng này khi những thiên hà có lỗ đen ở trung tâm đã phá hủy và ‘nuốt chửng’ một ngôi sao. Có vẻ như là lỗ đen muốn báo hiệu rằng: “Tôi, lỗ đen đang ở đây. “

Bằng cách sử dụng kết hợp phương pháp tiếp cận trên cơ sở lý thuyết và máy tính, Bogdanovic cố gắng dự đoán động lực học của sự kiện tương tự như trường hợp lỗ đen nuốt sao mô tả ở trên, vốn được biết đến với cái tên “sự gián đoạn thủy triều.”

Người phân tích dữ liệu từ trên đài quan sát không gian và trên mặt đất sẽ nhận được các dấu hiệu có phần khác biệt liên quan đến sự kiện này.

Bằng cách sử dụng siêu máy tính, Bogdanovic và các cộng sự đã mô phỏng động lực học của các lực cực kì lớn và lập biểu đồ trạng thái của chúng thông qua mô hình số.

Sự gián đoạn thủy triều là hiện tượng tương đối hiếm trong vũ trụ. Các nhà Vật lý thiên văn ước tính rằng một thiên hà giống với hệ Ngân Hà của chúng ta sẽ bước vào giai đoạn phá hủy một ngôi sao chỉ một lần trong khoảng 10.000 năm.

Mặt khác, vết lóa ánh sáng có thể biến mất chỉ trong vòng một vài năm.

Vì việc dò tìm sự gián đoạn thủy triều trên bầu trời là một thách thức lớn, nên các cuộc khảo sát thiên văn nghĩa là theo dõi một số lượng lớn các thiên hà cùng lúc là việc tối quan trọng.

Bogdanovic cho rằng” Lỗ đen không tự phát ra ánh sáng. Chỉ khi chúng tương tác với các ngôi sao và khí xung quanh, thì chúng ta mới có cơ hội để khám phá về chúng ở tận nơi thiên hà xa xôi.”

“Một sự khác biệt lớn !”

Cho đến nay, số lượng các dấu hiệu đặc trưng của vết lóa quan sát được và được xem là “ứng cử viên” cho sự gián đoạn thủy triều chỉ dừng ở con số hàng chục. Nhưng với dữ liệu từ PanSTARRS, Galex, Transient Factory Palomar, và những cuộc khảo sát thiên văn sắp tới, các nhà khoa học sẽ luôn  có sẵn các thông tin, Bogdanovic tin rằng tình hình sẽ chuyển biến đáng kể.

“Trái ngược với vài chục dấu hiệu của vết lóa trong 10 năm qua, bây giờ chúng ta có thể nghĩ đến con số hàng trăm dấu hiệu mỗi năm – một sự khác biệt quá to lớn!”, Bogdanovic cho rằng.” Điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ có thể xây dựng một mẫu hình đa dạng cho các loại ngôi sao khác biệt bị hố đen siêu lớn nuốt chửng.

Ô cửa nhỏ

Với hàng trăm sự kiện khám phá trong tương lai, hiểu biết của chúng ta về lỗ đen và các ngôi sao xung quanh sẽ tiến bộ rất nhanh. Qua đó có thể xác định một số khía cạnh then chốt của vật lý thiên hà.

“Sự đa dạng về chủng loại ngôi sao bị phá hủy có thể tiết lộ cho chúng ta cấu trúc của các cụm sao ở trung tâm thiên hà,” Bodganovic cho rằng. “Điều này gợi cho chúng ta chút ý tưởng về số lượng trung bình các ngôi sao dải chính, số ngôi sao khổng lồ đỏ, hoặc những ngôi sao lùn trắng.”

Sự gián đoạn thủy triều biết đâu cũng có thể tiết lộ về số lượng và tính chất của chính lỗ đen siêu lớn đã tạo ra nó.

“Chúng tôi tận dụng cơ hội quan sát này như một cách để hiểu biết hơn về những thứ quan trọng của hố đen và thiên hà chứa chúng”,Bogdanovic cho rằng. “Nếu như ánh sáng lóe lên từ sự gián đoạn thủy triều chỉ le lói dưới ngưỡng quan sát được, thì có lẽ  thiên hà đặc biệt đó đã khép chặt cánh cửa với chúng ta.”

Mô phỏng siêu máy tính

Trong một bài báo gần đây gửi đến Tạp chí Astrophysical, Bogdanovic, làm việc với Roseanne Cheng (Trung tâm Vật lý thiên văn của thuyết tương đối tại trường Viện công nghệ Georgia ) và Pau Amaro – Seoane (Viện Albert Einstein tại Potsdam, Đức), đã sử dụng mô hình máy tính để xem xét sự gián đoạn thủy triều của một ngôi sao khổng lồ đỏ được tạo ra bởi một lỗ đen siêu lớn.

Bài báo bám sát việc phát hiện ra sự kiện gián đoạn thủy triều mà trong đó lỗ đen phá hủy một lõi sao giàu Heli, được cho là dấu tích của một ngôi sao khổng lồ đỏ có tên là PS1 – 10jh cách Trái Đất 2,7 tỷ năm ánh sáng.

Chuỗi các sự kiện mà họ mô tả nhằm để giải thích một số khía cạnh khác thường của các dấu hiệu quan sát được liên quan đến sự kiện này, chẳng hạn như sự thiếu vắng của các dòng khí thải hydro từ quang phổ của PS1 – 10jh .

Khi tiếp tục nghiên cứu giả thuyết này , nhóm đã tiến hành mô phỏng để tái tạo lại chuỗi sự kiện thông qua lõi sao có thể phát triển dưới triều hấp dẫn của một lỗ đen siêu lớn .

” Việc tính toán sự tương tác hỗn độn giữa thủy động học và lực hấp dẫn căn cứ theo thang thời gian của con người là khả thi chỉ  với một siêu máy tính “, Cheng cho rằng. ” Bởi vì chúng ta hoàn toàn kiểm soát được thí nghiệm ảo này và có thể lặp lại, cho qua, hoặc xem lại khi cần thiết. Chúng ta có thể kiểm tra quá trình gián đoạn thủy triều từ nhiều góc độ.

” Điều này sẽ cho phép chúng ta xác định và định lượng các quá trình vật lý quan trọng nhất lúc vận hành. “

Nghiên cứu cho thấy cách thức bổ sung và giới hạn lý thuyết và quan sát của các mô phỏng siêu máy tính.

Bogdanovic cho biết thêm “Có rất nhiều trạng thái trong vật lý thiên văn, chúng ta không thể nhìn thấu một chuỗi các sự kiện diễn ra mà không cần mô phỏng chúng. Chúng ta không thể đứng bên cạnh các lỗ đen và xem nó bồi tụ khí như thế nào. Vì vậy, chúng ta sử dụng mô phỏng để tìm hiểu về những môi trường xa xôi và khắc nghiệt.”

Một trong những mục tiêu Bogdanovic là sử dụng kiến thức thu được từ những mô phỏng để giải mã những dấu hiệu của các sự kiện gián đoạn thủy triều quan sát được.

“Các dữ liệu gần đây nhất về các sự kiện gián đoạn thủy triều đã vượt xa sự hiểu biết lý thuyết và đòi hỏi sự tiến bộ của thế hệ  các mô hình mới,” bà nói. “Các dữ liệu mới với chất lượng tốt hơn đã chỉ ra rằng các ứng cử viên liên quan đến gián đoạn thủy triều vô cùng đa dạng.”

“Điều này trái với các nhận thức dựa trên những quan sát trước đây, khi đó, chúng ta luôn cho rằng các trường hợp về gián đoạn thủy triều không khác biệt nhiều lắm. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa hiểu điều gì đã đưa đến sự khác biệt trong các hình thức quan sát được này, và những mô phỏng máy tính sẽ là một phần quan trọng trong cuộc hành trình. “

Bài gốc: Georgia Tech via Aaron Dubrow of the National Science Foundation. Đăng lại ừ Futurity.org theo giấy phép Creative Commons License 3.0.

Theo Đại Kỷ Nguyên