Galaxy M87 Hố đen Nó cho thấy một dòng dao động, xác nhận chuyển động quay của nó, được trích ra từ một nghiên cứu kéo dài hai thập kỷ phù hợp với những dự đoán của thuyết tương đối tổng quát của Einstein.

Thiên hà vô tuyến gần đó M87, nằm cách Trái đất 55 triệu năm ánh sáng và chứa một lỗ đen lớn gấp 6,5 tỷ lần Mặt trời, cho thấy dòng chảy dao động lên xuống với biên độ khoảng 10 độ, khẳng định sự tồn tại của màu đen hố. kết thúc tốt đẹp.

Nghiên cứu do nhà nghiên cứu Trung Quốc, Tiến sĩ Yuzhou Cui đứng đầu, đã được công bố trên tạp chí thiên nhiên Vào ngày 27 tháng 9, nó được thực hiện bởi một nhóm quốc tế sử dụng mạng lưới kính thiên văn vô tuyến toàn cầu.

Thông qua phân tích sâu rộng dữ liệu của kính thiên văn từ năm 2000 đến năm 2022, nhóm nghiên cứu đã tiết lộ một chu kỳ định kỳ 11 năm trong tuế sai của chân máy bay phản lực, đúng như dự đoán của thuyết tương đối rộng của Einstein. Nghiên cứu liên kết động lực dòng chảy với lỗ đen siêu lớn ở trung tâm, cung cấp bằng chứng cho thấy lỗ đen ở M87 đang quay.

Hiện tượng lỗ đen siêu lớn

Các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm các thiên hà đang hoạt động – thiên thể không ổn định nhất trong vũ trụ của chúng ta – có thể tích tụ một lượng vật chất khổng lồ do lực hấp dẫn và lực hấp dẫn cực lớn của chúng. huyết tương Các dòng chảy ra, được gọi là dòng phản lực, đạt tốc độ ánh sáng và kéo dài hàng nghìn năm ánh sáng.

Cơ chế truyền năng lượng giữa các lỗ đen siêu lớn và các đĩa bồi tụ cũng như các tia tương đối tính của chúng đã khiến các nhà vật lý và thiên văn học bối rối trong hơn một thế kỷ. Lý thuyết phổ biến cho rằng năng lượng có thể được lấy ra từ một lỗ đen đang quay, cho phép một số vật chất xung quanh lỗ đen siêu lớn bị đẩy ra với năng lượng đáng kể. Tuy nhiên, vòng quay của các lỗ đen siêu lớn, một yếu tố quan trọng trong quá trình này và là thông số quan trọng nhất ngoài khối lượng lỗ đen, vẫn chưa được quan sát trực tiếp.

Bảng trên cùng: Cấu trúc máy bay phản lực M87 ở tần số 43 GHz dựa trên dữ liệu xếp chồng nửa năm được quan sát từ năm 2013 đến năm 2018. Mũi tên trắng biểu thị góc vị trí máy bay phản lực trong mỗi ô phụ. Bảng dưới cùng: Kết quả phù hợp nhất dựa trên hình ảnh xếp chồng hàng năm từ năm 2000 đến năm 2022. Các chấm màu lục và lam thu được từ các quan sát lần lượt ở tần số 22 GHz và 43 GHz. Đường màu đỏ thể hiện sự phù hợp nhất theo mô hình sáng kiến. Nhà cung cấp hình ảnh: Yuzhou Cui và cộng sự, 2023

Tập trung vào M87

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu tập trung vào M87, nơi quan sát thấy tia vật lý thiên văn đầu tiên vào năm 1918. Nhờ vị trí gần của nó, các vùng hình thành tia gần lỗ đen có thể được phân giải chi tiết bằng phép đo giao thoa đường cơ sở rất dài (VLBI). Nó cũng được thể hiện bằng hình ảnh bóng của lỗ đen hiện đại bằng Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT). Bằng cách phân tích dữ liệu VLBI từ M87 thu được trong 23 năm qua, nhóm nghiên cứu đã phát hiện các dòng tiền định kỳ ở đáy của nó, cung cấp cái nhìn sâu sắc về trạng thái của lỗ đen trung tâm.

Động lực học lỗ đen và thuyết tương đối

Trọng tâm của khám phá này là câu hỏi quan trọng: Lực nào trong vũ trụ có thể làm thay đổi hướng của một dòng phản lực mạnh như vậy? Câu trả lời có thể ẩn giấu trong hoạt động của đĩa bồi tụ, một hệ hình gắn liền với lỗ đen siêu lớn ở trung tâm.

Khi vật chất rơi quay quanh lỗ đen do xung lượng góc của nó, nó tạo thành một cấu trúc giống như cái đĩa trước khi dần dần xoắn ốc vào trong cho đến khi bị kéo vào lỗ đen một cách định mệnh. Tuy nhiên, nếu một lỗ đen đang quay, nó sẽ tác động đáng kể đến không thời gian xung quanh nó, khiến các vật thể ở gần bị kéo dọc theo trục quay của nó, một hiện tượng được gọi là “kéo khung”, được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng của Einstein .

Phân tích toàn diện của nhóm nghiên cứu cho thấy trục quay của đĩa bồi tụ lệch khỏi trục quay của lỗ đen, dẫn đến hiện tượng tiền phản lực. Việc phát hiện chuyển động này cung cấp bằng chứng rõ ràng rằng lỗ đen siêu lớn ở M87 thực sự đang quay, nâng cao hiểu biết của chúng ta về bản chất của lỗ đen siêu lớn.

Yuzhou Cui, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Chiết Giang, một tổ chức nghiên cứu ở Hàng Châu, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi hài lòng với kết quả quan trọng này”. “Vì độ lệch giữa lỗ đen và đĩa tương đối nhỏ và thời gian tuế sai là khoảng 11 năm nên việc thu thập dữ liệu có độ phân giải cao theo dõi cấu trúc của M87 trong hơn hai thập kỷ và phân tích toàn diện là cần thiết để đạt được bước đột phá này.”

Tiến sĩ Kazuhiro Hada của Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản cho biết thêm: “Sau khi chụp ảnh thành công lỗ đen trong thiên hà này bằng EHT, liệu lỗ đen này có quay hay không đã trở thành mối quan tâm lớn của các nhà khoa học”. “Bây giờ dự đoán đã trở thành chắc chắn. Lỗ đen quái dị này đã quay rồi.”

Những đóng góp và ý nghĩa trong tương lai

Công trình này sử dụng tổng cộng 170 kỷ nguyên quan sát được thu thập bởi Mạng VLBI Đông Á (EAVN), Mảng đường cơ sở rất dài (VLBA), Mảng chung của KVN và VERA (KaVA) và Đông Á toàn cầu đến Ý (ĂN) mạng. Tổng cộng có hơn 20 kính thiên văn từ khắp nơi trên thế giới đã đóng góp cho nghiên cứu này.

Các kính viễn vọng vô tuyến của Trung Quốc cũng góp phần vào dự án này, trong đó có kính thiên văn vô tuyến Tianma 65 mét của Trung Quốc với đĩa khổng lồ và độ nhạy cao với bước sóng milimet. Ngoài ra, kính viễn vọng vô tuyến 26 mét ở Tân Cương cải thiện độ phân giải góc của các quan sát EAVN. Dữ liệu chất lượng cao với độ nhạy cao và độ phân giải góc cao là điều cần thiết để đạt được thành tích này.

“Kính viễn vọng vô tuyến Shigatse dài 40 mét tại Đài thiên văn Thượng Hải sẽ cải thiện khả năng chụp ảnh milimet của EAVN. Đặc biệt, Cao nguyên Tây Tạng, nơi đặt kính viễn vọng, có một trong những điều kiện địa điểm tốt nhất để quan sát bước sóng (dưới milimet), ” Giáo sư Zhiqiang Chen, Giám đốc Đài quan sát Thiên văn Thượng Hải thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cho biết, việc này đáp ứng mong đợi của chúng tôi trong việc tăng cường cơ sở vật chất trong nước để quan sát thiên văn.

Mặc dù nghiên cứu này làm sáng tỏ thế giới bí ẩn của các lỗ đen siêu lớn nhưng nó cũng đặt ra những thách thức to lớn. Cấu trúc của đĩa bồi tụ và vòng quay chính xác của lỗ đen siêu lớn M87 phần lớn vẫn chưa chắc chắn. Công trình này còn dự đoán sẽ có thêm nhiều nguồn có cấu hình này, đặt ra thách thức cho các nhà khoa học khám phá.

Tham khảo: “Vòi phun phản lực kết nối với lỗ đen đang quay ở M87” của Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Hyunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang , Zhiqiang Chen, Evgenia Kravchenko, Juan Carlos Algaba, Xiaoping Cheng, Eli Zhou, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru Sin Lu, Kotaro Ninuma, Jungwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada Satoh, Bong Won Son, Hiroyuki R . Takahashi, Meeko Takamura, Fumi Tazaki, Sasha Tripp, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Botaccio, Do Young-byun, Lang Kui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson, Noriyuki Kawaguchi, Jae-Young Kim, Sang Song Lee, Ji-Won Lee, Jeong-Ae Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexei Melnikov, Carlo Migoni, Si-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Chung Chen, Jo-Yun Hwang, Dong-Kyu Jung, Heo-Ryung Kim, Jeong Suk Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Li Quảng Vệ, Xiaofei Li, Xiong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung Sik Oh, Tomoaki Aoyama, Duke Jiu Ruo, Jinqing Wang, Na Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao và Yi Zhong, ngày 27 tháng 9 năm 2023, thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6