HỐ ĐEN NUỐT CHỬNG CHÍNH ÁNH SÁNG CỦA NÓ

Chân trời sự kiện là thứ làm nên một hố đen: một ranh giới mà vượt qua đó, không gì có thể quay lại, kể cả ánh sáng. Theo định nghĩa, nó không gửi cho chúng ta bất kỳ tín hiệu nào. Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (Event Horizon Telescope) đã chụp được bóng của các hố đen khổng lồ trong thiên hà M87 và Sagittarius A* — bằng chứng gián tiếp về một chân trời. Nhưng chân trời của một hố đen sinh ra từ một ngôi sao chỉ rộng vài chục kilômét, quá nhỏ để chụp ảnh.

Lập luận về người bạn đồng hành mờ nhạt

Các nhà thiên văn có một manh mối khác. Trong những cặp sao mà một ngôi sao chết hút khí từ sao đồng hành, các hệ hố đen ở trạng thái tĩnh thường mờ hơn khoảng một trăm lần so với các hệ sao neutron có quỹ đạo tương tự. Lời giải thích: khí rơi xuống va vào bề mặt sao neutron và phát sáng, trong khi hố đen nuốt mất năng lượng.

Điểm yếu nằm ở một giả định. Lập luận này cho rằng quỹ đạo tương tự nghĩa là tốc độ nạp vật chất tương tự. Với những quỹ đạo dài hơn 80 phút, sao đồng hành có thể là một sao lùn nâu, một ngôi sao bình thường hay một sao khổng lồ, và nhiều hiệu ứng có thể chi phối dòng khí. Tốc độ nạp thực sự không được biết.

Những cặp sao quay quanh nhau trong vài phút

Qian-Qi Ma, Wei-Min Gu và Mouyuan Sun ở Đại học Hạ Môn, cùng Shan-Shan Weng ở Đại học Sư phạm Nam Kinh, đã chuyển sang các sao đôi tia X siêu đặc (ultra-compact X-ray binaries). Khi một vòng quỹ đạo mất chưa tới 40 phút, hai thiên thể ở gần nhau đến mức sao đồng hành chỉ có thể là một sao lùn trắng. Và quỹ đạo co lại chủ yếu do phát ra sóng hấp dẫn.

Điều đó khiến các hệ này trở thành những phòng thí nghiệm sạch. Khi đó, tốc độ nạp chỉ phụ thuộc vào lý thuyết hấp dẫn và vào mối liên hệ giữa kích thước của một sao lùn trắng với khối lượng của nó. Có thể tính nó chỉ từ chu kỳ quỹ đạo, với vài khối lượng giả định: 1,4 đến 2 lần Mặt Trời cho một sao neutron, 3 đến 20 lần cho một hố đen.

Nhóm giữ lại năm hệ như thế, tất cả đều nằm trong các cụm sao cầu, những khối cầu dày đặc gồm các ngôi sao già có khoảng cách được biết chính xác tới 2%:

bốn hệ chứa một sao neutron, được nhận diện qua các vụ bùng nổ tia X nhiệt hạch;
một hệ, 47 Tuc X-9, chứa một hố đen, được nhận diện qua cách bức xạ vô tuyến và tia X của nó biến thiên cùng nhau. Quỹ đạo của nó kéo dài khoảng 28 phút.

Sau đó, họ so sánh công suất tia X trung bình của mỗi hệ, lấy từ Chandra, Swift và các đài quan sát khác, với tốc độ nạp tính được.

Mờ hơn cả nghìn lần

Kết quả là hiệu suất bức xạ: tỷ lệ năng lượng của khối vật chất rơi vào được phát ra dưới dạng tia X.

Với cả bốn sao neutron, con số này trên 5%.
Với hố đen, nó dưới 0,03%.

Khoảng cách là hai đến ba bậc độ lớn. Cặp nổi bật nhất: hệ sao neutron M15 X-2 và hố đen 47 Tuc X-9 được nạp với tốc độ tương tự, khoảng 10¹⁶ gam mỗi giây, nhưng 47 Tuc X-9 lại mờ hơn cả nghìn lần. Ngay cả khi tính đến độ bất định lên tới mười lần về độ sáng của một số nguồn, hai nhóm vẫn tách biệt.

Năng lượng đi đâu

Các tác giả giải thích điều này bằng thứ nằm ở đáy. Sao neutron có một bề mặt cứng: ngay cả khi dòng khí nóng đổ vào bức xạ kém trên đường đi, năng lượng của nó cuối cùng vẫn được đặt lên bề mặt đó và phát xạ trở lại. Hố đen không có bề mặt. Ở tốc độ nạp thấp, phần lớn năng lượng của khí bị mang vào trong dưới dạng nhiệt — và biến mất sau chân trời.

Với các tác giả, đây là bằng chứng mạnh mẽ cho chân trời của một hố đen sao, dù là gián tiếp, như chính phần tóm tắt của họ nêu. Nó dựa trên một hố đen duy nhất. Họ đưa ra một dự đoán có thể kiểm chứng: bất kỳ sao neutron mới nào được tìm thấy trong một cặp khít như vậy đều phải rơi vào nhóm sáng, và bất kỳ hố đen nào có quỹ đạo tương tự đều phải mờ như 47 Tuc X-9.

Bài học cho các hố đen khổng lồ

Nghiên cứu còn mang một lời cảnh báo rộng hơn. Với hố đen, độ sáng là thước đo kém về lượng vật chất chúng ăn. Một hố đen có thể lớn lên trong khi vẫn mờ nhạt. Theo các tác giả, những khảo sát suy ra sự tăng trưởng của các hố đen siêu khối lượng từ ánh sáng của chúng có thể bỏ sót một phần sự tăng trưởng đó.