Ảnh minh họa lỗ đen ở Cygnus X-1 (phải) đang nuốt lấy vật chất từ ngôi sao đồng hành màu xanh của nó. (Ảnh: Martin Kornmesser, ESA/ECF)
Sử dụng một hệ thống khổng lồ gồm nhiều kính thiên văn vô tuyến, các nhà thiên văn ở Bắc Mĩ là những người đầu tiên thực hiện một phép đo khoảng cách trực tiếp đến Cygnus X-1, cho phép kết luận rằng khối lượng của ngôi sao tối của nó lớn đến mức nó thể là một lỗ đen. Họ còn phát hiện thấy lỗ đen đó quay tròn nhanh hơn đa số bạn ngang hàng của nó.
“Hiện nay, không có nghi ngờ nào về khoảng cách của nó nữa, và không còn chút sai số nào nhiều về khối lượng của nó nữa”, phát biểu của Mark Reid thuộc Trung tâm Thiên văn Vật lí Harvard-Smithsonian ở Cambridge, Massachusetts. “Nó chắc chắn là một lỗ đen”.
Lỗ đen là một ngôi sao đã cạn kiệt nhiên liệu và qua đời, co lại thành một vật thể nhỏ với lực hấp dẫn lớn đến mức không gì có thể thoát ra khỏi sức hút của nó. Lần đầu tiên được nhận ra đang ẩn náu vào năm 1971, Cygnus X-1 là một trong những nguồn phát tia X đầu tiên được các nhà thiên văn học phát hiện ra. Nó được tìm thấy trong chòm sao Cygnus [Thiên Nga], còn gọi là Chữ thập phương Bắc, và là một trong những vật thể được nghiên cứu nhiều nhất trên bầu trời. Nó còn truyền cảm hứng bởi một bài hát dài 10 phút của ban nhạc rock Canada Rush nói về những ngôi sao thuộc Chữ thập phương Bắc “đang than khóc vì sự mất mát chị em của chúng”.
Là một sao neutron chăng ?
Tuy nhiên, một số nhà khoa học đã hoài nghi lỗ đen của nó và vào năm 1974 Stephen Hawking đã cược với Kip Thorne ở Caltech rằng Cygnus X-1 không có một lỗ đen nào hết. Thay vào đó, vật thể tối trên có thể là một sao neutron, một loại sao chết kém đặc chắc hơn. Vấn đề chính gây tranh cãi là một thực tế hết sức “trần tục”: khoảng cách của nó đến Trái đất.
Ngôi sao tối trong Cygnus X-1 quay xung quanh một ngôi sao xanh nóng mỗi vòng 5,6 ngày. Nhưng vì không biết khoảng cách của nó đến chúng ta, cho nên không ai có thể nói ngôi sao màu xanh đó phát ra bao nhiêu ánh sáng. Cygnus X-1 càng ở gần chúng ta, thì ngôi sao này phải càng kém mạnh, vì thế khối lượng mà nó có càng ít. Và ngôi sao này có khối lượng càng ít, thì lực kéo giật hấp dẫn của ngôi sao tối tác dụng lên ngôi sao sáng càng yếu đi. Nếu ngôi sao tối chưa nặng gấp ba lần khối lượng của Mặt trời, thì nó có thể là một sao neutron thay vì một lỗ đen.
Những ước tính khoảng cách trong thời gian gần đây nghiêng về một khối lượng cao hơn – Hawking đã nhận thua cuộc hồi hai thập niên trước – nhưng những ước tính này là gián tiếp. Cách tốt nhất để đo khoảng cách là thông qua thị sao – sự lệch nhỏ trong vị trí biểu kiến của một ngôi sao do chúng ta nhìn nó từ những góc nhìn khác nhau khi Trái đất quay xung quanh Mặt trời. Nhưng Cygnus X-1 ở quá xa nên các nhà thiên văn quang học không thể đo thị sai nhỏ xíu của nó được.
Ma trận kính thiên văn khổng lồ
May thay, Cygnus X-1 phát ra sóng vô tuyến, nên Reid và đồng nghiệp của nó chọn ngắm vào vật thể trên với Ma trận Đường cơ sở Rất Dài (VLBA), hệ thống gồm mười kính thiên văn vô tuyến 25 m phân bố rải rác từ nước Anh và quần đảo Virgin cho đến California và Hawaii. Ma trận khổng lồ này đo vị trí tốt hơn 100 lần so với Kính thiên văn vũ trụ Hubble.
“Cygnus X-1 mang lại dữ liệu đẹp”, Reid nói, “và chúng tôi đã có thể có một khoảng cách rất chính xác”. Thị sai cho thấy Cygnus X-1 ở cách Trái đất 6050 năm ánh sáng, với sai số chỉ 400 năm ánh sáng. Từ con số này, các nhà thiên văn suy luận ra rằng ngôi sao tối trên nặng gấp 14,8 lần Mặt trời; sai số chỉ là một lần khối lượng mặt trời, vì thế vật thể trên ở cao phía trên đường phân chia giữa sao neutron và lỗ đen. Ngôi sao màu xanh mà nó quay xung quanh còn nặng hơn nữa, với khối lượng chừng 19 lần khối lượng mặt trời.
“Giá trị ước tính vô tuyến của thị sai trên là một thành tựu tuyệt vời”, phát biểu của Douglas Gies, một nhà thiên văn tại trường Đại học bang Georgia ở Atlanta, người không có liên can gì với đội nghiên cứu trên. “Nó là một kết quả xuất sắc”.
Đang quay nhanh
Các nhà nghiên cứu còn tìm thấy lỗ đen trên đang quay tròn ở 97% tốc độ tối đa có thể của nó. Họ suy luận ra điều này bởi sự quan sát tia X phát ra từ một cái đĩa khí nóng xoáy tít xung quanh lỗ đen trên – chất khí mà lỗ đen xé toạc ra từ bạn đồng hành kém may mắn của nó.
Lí thuyết tương đối tổng quát cho biết một lỗ đen quay tròn càng nhanh, thì một vật thể có thể quay xung quanh xung quanh nó trong một quỹ đạo bền càng gần. Phần đĩa chất khí ở gần lỗ đen nhất là nóng nhất. Đối với Cygnus X-1, rìa bên trong đĩa nóng đến mức nó phải ở rất gần lỗ đen, vì thế lỗ đen đang quay nhanh. Chất khí tại rìa trong của đĩa quay tròn ở nửa tốc độ ánh sáng, hoàn thành 670 vòng quỹ đạo trong mỗi giây.
Nguồn: physicsworld.com
