Cách Họ "Cân" Một Lỗ Đen
Bài viết phát hành:
Cập nhật lần cuối:
Gõ "lỗ đen lớn nhất vũ trụ" lên mạng, bạn sẽ thấy hai cái tên cứ thay nhau xuất hiện: TON 618 và Phoenix A*. Một bên là quasar chói lòa cách chúng ta hơn mười tỷ năm ánh sáng. Bên kia là lỗ đen nằm sâu trong tâm một cụm thiên hà khổng lồ. Cả hai đều được gọi là "ultramassive" (siêu khối lượng), nhưng chúng được đo bằng hai cách hoàn toàn khác nhau, và chính sự khác biệt ấy khiến cuộc tranh luận "ai lớn nhất" chưa bao giờ ngã ngũ. Bài viết này đặt hai lỗ đen cạnh nhau, giải thích từng phương pháp, và chỉ ra điều gì đã được xác lập và điều gì vẫn còn là ước đoán.
TON 618 Và Phoenix A* Là Gì?
TON 618 là một quasar cực sáng (hyperluminous quasar), tức một lỗ đen siêu khối lượng đang nuốt vật chất mạnh mẽ nên tỏa sáng rực rỡ. Phoenix A* là lỗ đen nằm ở trung tâm thiên hà sáng nhất của Cụm Phoenix (SPT-CL J2344-4243), một trong những cụm thiên hà nặng nhất từng được phát hiện. Cả hai được xếp vào nhóm lỗ đen "ultramassive", thường dùng cho những lỗ đen có khối lượng từ khoảng vài chục tỷ lần Mặt Trời trở lên.
- TON 618: Quasar có dịch chuyển đỏ khoảng 2,219, tương ứng thời gian ánh sáng truyền đến chúng ta khoảng 10,8 tỷ năm. Khối lượng lỗ đen thường được nêu từ 40 đến 66 tỷ lần Mặt Trời.
- Phoenix A*: Lỗ đen ở tâm Cụm Phoenix, cách chúng ta khoảng 5,8 tỷ năm ánh sáng, được phát hiện cùng cụm thiên hà này năm 2010 qua khảo sát bằng Kính viễn vọng Nam Cực. Con số "khoảng 100 tỷ lần Mặt Trời" là kết quả mô hình hóa, chưa phải số đo trực tiếp.
(Xem thêm: Quasar Chính Là Lỗ Đen? Cách Hiểu Đúng Về Quasar)
Bảng So Sánh Nhanh
| Tiêu chí | TON 618 | Phoenix A* |
|---|---|---|
| Loại đối tượng | Quasar siêu sáng, lỗ đen đang hoạt động mạnh | Lỗ đen ở thiên hà trung tâm của một cụm thiên hà |
| Khoảng cách | Thời gian ánh sáng truyền khoảng 10,8 tỷ năm (z ≈ 2,219) | Khoảng 5,8 tỷ năm ánh sáng |
| Khối lượng thường nêu | Khoảng 40,7 đến 66 tỷ lần Mặt Trời | Từ khoảng 10 tỷ đến hơn 100 tỷ lần Mặt Trời (kịch bản mô hình) |
| Cách xác định khối lượng | Độ rộng vạch phát xạ rộng và độ sáng quasar (ước lượng viral) | Mô hình hóa mật độ sao ở vùng lõi thiên hà và quá trình lỗ đen lớn lên |
| Đo trực tiếp bằng chuyển động quỹ đạo? | Không, là ước lượng gián tiếp từ khí quanh lỗ đen | Chưa, khối lượng chưa được đo bằng cơ học quỹ đạo |
| Bán kính chân trời sự kiện (tính cho lỗ đen không quay) | Khoảng 1.300 AU (ở mức 66 tỷ M☉) | Khoảng 2.000 AU (ở mức 100 tỷ M☉) |
| Độ chắc chắn | Ước lượng được dùng rộng rãi nhưng có biên độ lớn | Bất định lớn, các nguồn nêu mức 10 đến 100 tỷ M☉ |
Ghi chú: AU là đơn vị thiên văn (khoảng cách Trái Đất đến Mặt Trời - 1 AU ≈ 149.597.870,7 km). Quỹ đạo Hải Vương Tinh có bán kính khoảng 30 AU, nên chân trời sự kiện của TON 618 rộng hơn quỹ đạo Hải Vương Tinh hơn 40 lần. Giá trị bán kính trong bảng được tính theo công thức Schwarzschild cho lỗ đen không quay (khoảng 2,95 km cho mỗi khối lượng Mặt Trời), và sẽ thay đổi nếu lỗ đen quay nhanh.
(Công thức Schwarzschild (chính xác là Bán kính Schwarzschild, ký hiệu là rₛ) là công thức dùng để tính toán kích thước của chân trời sự kiện của một hố đen không quay, không tích điện.)
rₛ = 2GM / c²
Trong đó:
rₛ: bán kính Schwarzschild (m)
G: hằng số hấp dẫn, ≈ 6,674 × 10⁻¹¹ m³·kg⁻¹·s⁻²
M: khối lượng vật thể (kg)
c: tốc độ ánh sáng, ≈ 2,998 × 10⁸ m/s
Cách Thứ Nhất: "Cân" TON 618 Bằng Ánh Sáng Của Quasar
TON 618 là một lỗ đen đang "ăn", nên khí nóng xoay quanh nó phát ra ánh sáng rực rỡ. Các nhà thiên văn khai thác điều đó: khí chuyển động càng nhanh thì vạch phổ phát ra càng rộng, và vận tốc ấy phản ánh lực hấp dẫn của lỗ đen. Kết hợp với độ sáng của quasar (cho biết kích thước vùng khí), họ suy ra được khối lượng lỗ đen, phương pháp thường gọi là ước lượng viral hay quang phổ một lần chụp.
- Kết quả 66 tỷ M☉: Nhóm Shemmer và cộng sự dùng vạch Hβ của ít nhất 29 quasar. TON 618 có vạch phổ rộng nhất trong số đó, với vận tốc khí rất lớn, từ đó ước tính khoảng 66 tỷ lần Mặt Trời.
- Kết quả 40,7 tỷ M☉: Nghiên cứu của Ge và cộng sự năm 2019, dùng vạch C IV thay cho Hβ trên cùng dữ liệu, thu được vận tốc khí thấp hơn (khoảng 2.761 km/s) và khối lượng thấp hơn, khoảng 40,7 tỷ lần Mặt Trời.
- Vì sao có chênh lệch: Phương pháp này phụ thuộc vào cách đo độ rộng vạch, hiệu chuẩn độ sáng và góc nhìn. Các bài tổng hợp đều nhấn mạnh biên độ bất định này.
Note:
- Vạch C IV (Carbon 4) là một cặp vạch quang phổ phát xạ mạnh mẽ của nguyên tố carbon bị ion hóa ba lần (tức là nguyên tử carbon đã bị mất đi 3 electron, ký hiệu hóa học trong thiên văn là C³⁺ hay C IV).
- Vạch phát xạ Hβ (Hydrogen-beta) là một vạch quang phổ đặc trưng của nguyên tố hydro, nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy được với bước sóng chính xác là 486,1 nanomet.
Cách Thứ Hai: "Cân" Phoenix A* Bằng Mô Hình Về Thiên Hà Chủ
Phoenix A* rất khác, nó không phải một quasar chói lòa để đo phổ, mà nằm ở thiên hà trung tâm của một cụm thiên hà, một vùng nơi khí nóng đang nguội đi với tốc độ kỷ lục (khoảng 3.280 đến 3.820 khối lượng Mặt Trời mỗi năm theo các nguồn) và sinh ra sao với tốc độ vài trăm khối lượng Mặt Trời mỗi năm. Vì khó đo khối lượng lỗ đen trực tiếp ở khoảng cách này, nhóm Brockamp và cộng sự (2016) dùng một cách gián tiếp: mô hình hóa mật độ sao ở vùng lõi thiên hà và quá trình lỗ đen lớn lên theo cơ chế đoạn nhiệt, coi đó như một "nhiệt lượng kế" để cân lỗ đen.
Theo nghiên cứu, mô hình cực đoan nhất gợi ý khối lượng cỡ 100 tỷ lần Mặt Trời, thậm chí có thể vượt, và Phoenix có thể là một trong số ít đối tượng phù hợp với kịch bản này. Nhưng khối lượng này chưa được đo bằng cơ học quỹ đạo. Các nguồn khác nêu khoảng ước lượng thấp hơn nhiều (khoảng 10 đến 20 tỷ), nên con số 100 tỷ không nên được trình bày như một sự thật đã xác lập.
Một điểm cần lưu ý rằng các quy luật thường dùng để ước tính khối lượng lỗ đen từ thiên hà chủ (như mối quan hệ giữa khối lượng và độ phân tán vận tốc sao) có thể không đúng ở những thiên hà trung tâm cụm cực đoan. Chính bài mô hình hóa của Brockamp cũng thảo luận về giới hạn của các quy luật kinh nghiệm này.
Hai Cách Quan Sát: Ưu Và Nhược Điểm
| Phương pháp | Ưu điểm | Hạn chế |
|---|---|---|
| Vạch phát xạ và độ sáng quasar (TON 618) | Áp dụng được cho nguồn rất xa, quasar sáng nên dễ quan sát | Phụ thuộc vào hiệu chuẩn, chọn vạch phổ (Hβ hay C IV) và góc nhìn; cho kết quả chênh lệch từ 40 đến 66 tỷ M☉ |
| Mô hình mật độ sao và tăng trưởng lỗ đen (Phoenix A*) | Dùng được khi lỗ đen không phải quasar, dựa trên cấu trúc thiên hà | Gián tiếp, phụ thuộc giả định mô hình; chưa kiểm chứng bằng chuyển động quỹ đạo |
| Chuyển động sao và thấu kính hấp dẫn (ví dụ Cosmic Horseshoe) | Gần với đo "trực tiếp" hơn, độ tin cậy cao hơn | Chỉ áp dụng được cho những thiên hà phù hợp, hiếm có |
Vậy Lỗ Đen Nào Lớn Nhất?
Câu trả lời trung thực là: chưa ai có thể khẳng định. Các bài đánh giá gần đây đều chung nhận định rằng:
- Nếu chỉ nhìn con số công bố: Phoenix A* (khoảng 100 tỷ) lớn hơn TON 618 (40-66 tỷ). Đây là lý do nhiều bài viết, kể cả Space.com, gọi Phoenix A là lỗ đen nặng nhất được biết.
- Nếu xét chất lượng số đo: Con số 100 tỷ của Phoenix A* là một kịch bản mô hình, trong khi các ước lượng khác thấp hơn khoảng mười lần. TON 618 có ước lượng được dùng rộng rãi hơn, dù cũng có biên độ lớn.
- Nếu Phoenix A* chỉ khoảng 20 tỷ: TON 618 sẽ nặng hơn khoảng hai đến ba lần. Cho nên "người thắng" phụ thuộc hoàn toàn vào việc bạn tin ước lượng nào.
Ngoài hai cái tên này, còn có những ứng viên đáng nhắc. Lỗ đen ở Cosmic Horseshoe (cách khoảng 5 tỷ năm ánh sáng) được xác định khoảng 36 tỷ lần Mặt Trời bằng cách kết hợp chuyển động sao với thấu kính hấp dẫn, một phương pháp được các tác giả đánh giá là chắc chắn hơn nhiều so với các số đo gián tiếp. Lỗ đen ở Holmberg 15A được ghi nhận khoảng 40 ± 8 tỷ lần Mặt Trời từ chuyển động sao trực tiếp. Như chính nhà nghiên cứu Cosmic Horseshoe nhận xét, hầu hết các số đo khối lượng lỗ đen khác đều gián tiếp và có độ bất định lớn, nên chưa thể biết chắc cái nào lớn nhất.
"Lớn" Nghĩa Là Gì? Khối Lượng Hay Kích Thước?
Một hiểu lầm hay gặp là coi lỗ đen "lớn" như một quả cầu chứa đầy vật chất. Thực ra, "lớn" ở đây thường nói về khối lượng, còn kích thước của lỗ đen được đo bằng chân trời sự kiện, tỷ lệ thuận với khối lượng. Lỗ đen 100 tỷ M☉ có chân trời lớn gấp khoảng 1,5 lần so với lỗ đen 66 tỷ M☉, chứ không phải vài chục lần. Một số bài viết trên mạng từng phạm lỗi khi lẫn lộn khối lượng và thể tích, hoặc nói Phoenix A "lớn gấp 40 lần TON 618", những phép tính đã bị chính các trang này sửa lại.
Vì Sao Cuộc Tranh Luận Này Quan Trọng?
- Giới hạn tăng trưởng: Theo nhà vật lý Priyamvada Natarajan và cộng sự, cơ chế phản hồi tự nhiên cắt nguồn thức ăn của lỗ đen khiến giới hạn trên của lỗ đen siêu khối lượng vào khoảng 100 tỷ lần Mặt Trời. Nếu đúng, một lỗ đen cỡ Phoenix A* (100 tỷ) có thể nằm ngay sát giới hạn này.
- Bài toán sớm trong vũ trụ: TON 618 tồn tại khi vũ trụ mới khoảng một phần tư tuổi hiện nay, nên khối lượng khổng lồ của nó đặt ra câu hỏi về việc lỗ đen lớn lên nhanh đến thế nào.
- Phản hồi của lỗ đen với thiên hà: Phoenix là cụm thiên hà đặc biệt vì lỗ đen trung tâm không ngăn được khí nguội đi và sinh sao ồ ạt, trái với nhiều cụm khác.
Cách Đọc Tin "Lỗ Đen Lớn Nhất" Một Cách Tỉnh Táo
- Hỏi phương pháp: Con số đến từ ước lượng viral, mô hình, hay chuyển động sao trực tiếp?
- Chú ý biên độ: "40-66 tỷ" và "10-100 tỷ" khác hẳn một con số duy nhất.
- Cẩn trọng với khoảng cách: Nhiều bài ghi khoảng cách khác nhau (ví dụ Phoenix A* là 5,8 hay 8,5 tỷ năm ánh sáng, TON 618 theo thời gian ánh sáng hay khoảng cách đồng chuyển động). Hãy xem họ dùng loại khoảng cách nào.
Kết Luận
TON 618 và Phoenix A* là hai đại diện cho hai cách tiếp cận khác nhau khi cân những lỗ đen khổng lồ nhất vũ trụ: một bên dựa vào ánh sáng của khí quanh lỗ đen đang hoạt động, bên kia dựa vào mô hình về thiên hà chủ. Trên giấy, Phoenix A* với khoảng 100 tỷ lần Mặt Trời có thể lớn hơn, nhưng đó là một kịch bản mô hình còn nhiều bất định. Cho đến khi có phép đo trực tiếp hơn, danh hiệu "lỗ đen lớn nhất" vẫn là một câu hỏi mở, và đó cũng là điều làm cho đề tài này thú vị.
Nguồn tham khảo:
