Lỗ đen siêu khối nằm tại tâm của một thiên hà to lớn hay đám thiên hà tác dụng như một cái lò sưởi, bơm nhiệt vào môi trường xung quanh nó. Nhưng các nhà thiên văn đã chật vật tìm hiểu làm thế nào một nhiệt độ đều đặn được duy trì trong toàn bộ thiên hà khi mà lỗ đen đó dường như chỉ tương tác với chất khí lân cận. Nay các nhà nghiên cứu ở Canada và Australia tin rằng câu trả lời có thể là một vòng hồi tiếp trong đó lực hấp dẫn làm cho chất khí tích góp xung quanh lỗ đen cho đến khi mật độ của nó đạt tới một điểm tới hạn. Sau đó, chất khí tuôn vào trong lỗ đen, nhất thời chuyển hóa thành nhiệt.
Các thiên hà phát xạ tia X và sự thất thoát năng lượng liên tục như thế này sẽ làm nguội chất khí của chúng đến mức nó co lại thành những ngôi sao. Tuy nhiên, các nhà thiên văn chỉ nhìn thấy một phần nhỏ của sự hình thành sao như trông đợi ở những thiên hà elip khổng lồ và các đám thiên hà, nghĩa là phải có cái gì đó đang làm nóng chất khí. Nguồn sinh nhiệt chính duy nhất là lỗ đen siêu khối tại tâm của thiên hà hay đám thiên hà – còn gọi là nhân thiên hà hoạt động (AGN). Nhưng những AGN như vậy không nhận hồi tiếp từ phần lớn chất khí trong một thiên hà, chúng có thể ở xa AGN đến 330 000 năm ánh sáng. Vậy thì làm thế nào AGN duy trì nhiệt độ của toàn bộ thiên hà?
Ảnh minh họa một nhân thiên hà hoạt động. (Ảnh: NASA/CXC/M Weiss)
Áp suất giảm
Edward Pope và Trevor Mendel, thuộc trường Đại học Victoria ở British Columbia, cùng với Stanislav Shabala thuộc trường Đại học Tasmania ở Australia, nghĩ rằng họ biết sự hồi tiếp này xảy ra như thế nào. Họ cho rằng khi chất khí trong tâm của thiên hà lớn hay đám thiên hà nguội đi bởi sự phát xạ tia X, nó mất dần áp suất, do đó cho phép cho phép nhiều chất khí từ phía ngoài trong đám chảy vào bên trong. Cuối cùng, chất khí đó trở nên đậm đặc tới mức nó không thể chịu nổi trọng lượng của riêng nó và nó co lại đột ngột, tuôn vào bên trong lỗ đen. Lỗ đen nuốt lấy một phần chất khí đó và sử dụng năng lượng này để ném phần chất khí còn lại ra ngoài. Các nhà nghiên cứu tin rằng dòng khí ném ra bên ngoài này có thể giàu năng lượng đến mức một phần chất khí còn có thể bay vọt ra khỏi một thiên hà elip – nhưng nó không đủ năng lượng để tống cổ chất khí ra khỏi một đám thiên hà.
Dòng khí ném ra sẽ chứa những hạt truyền đi ở gần tốc độ ánh sáng và sẽ vượt ra khỏi tầm với xa xôi nhất của một thiên hà đồ sộ. “Mặc dù nó chỉ được cấp năng lượng bởi chất khí ở tâm, nhưng lỗ đen thật sự có thể làm nóng toàn bộ chất khí trong thiên hà”, Pope nói. Những dòng khí ném ra từ một AGN có thể tiếp tục chuyển động đi ra 10 đến 100 triệu năm – theo tính toán của các nhà nghiên cứu là phù hợp với những quan sát những bọt khí khổng lồ do những vòi vật chất AGN thổi ra trong cỡ thời gian tương đương. Một khi AGN tĩnh lặng, chất khí bắt đầu nguội trở lại, chảy về phía tâm cảu thiên hà hay đám thiên hà trở lại.
Tốc độ trung bình mà chất khí trên hình thành là mối nối quan trọng giữa những dòng khí ném AGN và nhiệt độ quy mô lớn của thiên hà. Nó phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa tốc độ nguội đi của toàn bộ thiên hà cộng với tốc độ nóng lên trung bình do AGN. Sự tích góp chất khí nhanh hơn khi sự nguội đi chiếm ưu thế, và chậm hơn khi sự nóng lên mạnh hơn. “Hệ quả là bạn có thể thấy đây là một vòng lặp tự điều hòa – giống hệt như một máy điều nhiệt”, Pope nói.
Lời giải thích có triển vọng
Andrew Benson thuộc Viện Công nghệ California ở Pasadena cho biết việc bao gộp cả những dòng khí ném AGN tuần hoàn trong lời giải thích này của các thức các thiên hà và đám thiên hà điều hòa nhiệt độ của chúng là có triển vọng “vì chúng ta quan sát thấy AGN là ‘on’ chỉ trong một thời gian ngắn, sau đó là khoảng thời gian ‘off’ kéo dài”. Lượng thời gian ‘on’ đối với một AGN phụ thuộc vào lượng nguội đi mà nó trung hòa, và các nhà nghiên cứu cho biết các quan sát đã sinh ra ý tưởng sau đây: những đám thiên hà càng sáng về tia X càng có khả năng chứa một AGN ném ra dòng vật chất so với những đám mờ hơn.
David Rafferty thuộc Đài thiên văn Leiden ở Hà Lan cho biết quan điểm trên là “khá quyến rũ và có thể là đúng”. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng “tầm quan trọng của nó chỉ có thể đánh giá sau khi các tiên đoán của nó đã được kiểm tra kĩ lưỡng”.
Benson thì không hoàn toàn bị thuyết phục rằng sự chảy vào trong của chất khí về hướng lỗ đen là thật sự tuần hoàn – ví dụ, ông nói, có khả năng chất khí có thể chảy vào trong theo một chiều trong khi dòng chảy hướng ra là theo chiều khác. Tuy nhiên, ông đồng ý rằng các tiên đoán của các nhà nghiên cứu trên, như thời gian ‘on’ của AGN tỉ lệ như thế nào với khối lượng của lỗ đen, làm cho lí thuyết có thể kiểm tra được “là cái luôn luôn quan trọng nhất”.
Nguồn: physicsworld.com
