Quasar Chính Là Lỗ Đen? Cách Hiểu Đúng Về Quasar

Chiều thứ Hai ngày 5/2/1963, nhà thiên văn Maarten Schmidt ngồi trong văn phòng ở Caltech, nhìn mãi bản quang phổ của một "ngôi sao" mờ nhạt có tên 3C 273. Những vạch sáng trong đó cứ lạ lùng, không khớp với bất kỳ nguyên tố nào quen thuộc. Rồi đột nhiên ông nhận ra chúng chính là các vạch hydro quen thuộc, nhưng bị dịch chuyển về phía đỏ một cách khó tin. Khoảnh khắc ấy mở ra kỷ nguyên của quasar, và hơn sáu mươi năm sau, nhiều người vẫn hiểu sai về chúng: tưởng quasar là ngôi sao, là hố đen, hay là một loại thiên thể đã chết. Bài viết này giải thích quasar là gì, nó hoạt động ra sao, vì sao bị gọi nhầm, và cách hiểu đúng dựa trên các nghiên cứu mới nhất.

Quasar Là Gì?

Quasar là nhân thiên hà hoạt động (AGN) cực kỳ sáng, được cung cấp năng lượng bởi khí rơi vào một lỗ đen siêu khối lượng nằm ở tâm một thiên hà. Lỗ đen này có khối lượng từ vài triệu đến hàng chục tỷ lần khối lượng Mặt Trời, được bao quanh bởi một đĩa bồi tụ gồm khí nóng. Khi khí trong đĩa xoáy vào, nó nóng lên và phát ra bức xạ điện từ với cường độ khổng lồ. Từ "quasar" bắt nguồn từ cụm "quasi-stellar radio source" (nguồn vô tuyến gần như sao), và các nhà thiên văn cũng gọi chúng là QSO (quasi-stellar object).

• Bản chất: Lõi sáng của một thiên hà, chứ không phải một ngôi sao riêng lẻ.
• Nguồn năng lượng: Khí bị hút vào hố đen siêu khối lượng, không phải phản ứng nhiệt hạch như ở sao.
• Độ sáng: Các quasar mạnh nhất sáng hơn một thiên hà như Milky Way hàng nghìn lần.
• Số lượng đã biết: Hơn một triệu quasar đã được phát hiện, quasar gần nhất cách chúng ta khoảng 600 triệu năm ánh sáng.

(Xem thêm: Cách Nhận Biết Nội Dung Sai Từ (AI) Nhanh Nhất)

Quasar Hoạt Động Như Thế Nào?

Hầu hết các thiên hà lớn đều có lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm, nhưng đa số đang "ngủ yên". Một thiên hà chỉ trở thành quasar khi hố đen của nó đang bồi tụ vật chất ở tốc độ cao. Theo Britannica, lỗ đen trong nhân hoạt động nuốt vài lần khối lượng Mặt Trời mỗi năm. Với mức đó, tổng công suất của một quasar điển hình vào khoảng 10³⁹ watt, trong khi Mặt Trời chỉ phát khoảng 4 × 10²⁶ watt, tức quasar sáng cỡ hàng nghìn tỷ lần Mặt Trời.

• Lỗ đen: Tự nó không phát sáng. Ánh sáng đến từ vật chất ở bên ngoài chân trời sự kiện.
• Đĩa bồi tụ: Vành khí quay nhanh, nóng đến mức phát sáng rực. Đây là nguồn ánh sáng chính của quasar.
• Các đám mây khí phát vạch: Tạo ra các vạch phát xạ rộng và hẹp trong quang phổ, giúp các nhà thiên văn ước tính khối lượng hố đen và tốc độ bồi tụ.
• Tia phản lực (jet): Ở một số quasar, các dòng hạt phóng ra gần với tốc độ ánh sáng từ hai cực.
• Bụi và khí che khuất: Đám mây khí chứa bụi nằm xa hơn, gần mặt phẳng đĩa, có thể che khuất quasar.

Các tính chất mà chúng ta quan sát được phụ thuộc vào nhiều yếu tố: khối lượng lỗ đen, tốc độ bồi tụ, hướng của đĩa so với người quan sát, có hay không có tia phản lực, và mức độ bụi che khuất trong thiên hà chủ. Đó cũng là lý do hai quasar có thể trông rất khác nhau dù cùng một cơ chế.

Câu Chuyện Phát Hiện: Từ "Ngôi Sao Lạ" Đến Lỗ Đen

Danh mục vô tuyến Cambridge thứ ba (3C), công bố năm 1959, liệt kê hàng trăm nguồn vô tuyến sáng ở bầu trời phía bắc. Phần lớn là các thiên hà elip, nhưng một vài nguồn lại ứng với những thiên thể trông như sao. Cuối năm 1962, Cyril Hazard và các đồng nghiệp ở Úc dùng kính thiên văn Parkes để quan sát 3C 273 khi Mặt Trăng che khuất nó, nhờ đó xác định được vị trí chính xác. Schmidt sau đó chụp quang phổ của vật thể giống sao tại vị trí ấy.

• 5/2/1963: Schmidt nhận ra các vạch trong quang phổ 3C 273 là dãy Balmer của hydro, dịch chuyển đỏ khoảng 0,16, tương ứng vận tốc lùi xa bằng khoảng một phần sáu tốc độ ánh sáng.
• 3C 48: Vật thể thứ hai, được Greenstein và Matthews nghiên cứu, cho dịch chuyển đỏ z = 0,37.
• 16/3/1963: Tạp chí Nature đăng liền bốn bài báo về phát hiện này.
• 1964: Giải thích được chấp nhận ngày nay, tức vật chất rơi vào hố đen siêu khối lượng qua đĩa bồi tụ, bắt đầu được đề xuất.

Ý nghĩa của khám phá này rất lớn: nếu dịch chuyển đỏ do giãn nở vũ trụ gây ra, các vật thể này phải ở rất xa và có độ sáng phi thường. Từ một "ngôi sao bí ẩn", quasar trở thành bằng chứng cho thấy lõi các thiên hà có thể chứa những động cơ năng lượng khổng lồ.

Cách Hiểu Đúng Về Quasar: Sáu Hiểu Lầm Phổ Biến

• Hiểu lầm 1: "Quasar là một ngôi sao." Không. Chữ "quasi-stellar" chỉ nghĩa là "trông giống sao" vì vùng sáng rất nhỏ gọn. Ảnh độ phân giải cao từ Kính thiên văn Hubble cho thấy quasar nằm ở trung tâm các thiên hà, và một số thiên hà chủ đang tương tác hoặc sáp nhập.
• Hiểu lầm 2: "Quasar chính là lỗ đen." Không hẳn. Lỗ đen tự nó không phát sáng; quasar là toàn bộ hệ thống gồm hố đen cùng đĩa khí nóng quanh nó.
• Hiểu lầm 3: "Quasar nào cũng là nguồn sóng vô tuyến mạnh." Tên gọi gốc có chữ "radio" vì những quasar đầu tiên được tìm thấy qua sóng vô tuyến. Nhưng phần lớn quasar có bức xạ vô tuyến yếu hoặc không có, chỉ khoảng 10-15% có vô tuyến mạnh.
• Hiểu lầm 4: "Quasar là thiên thể đã chết hoặc đang chết." Quasar là một giai đoạn hoạt động. Khi nhiên liệu cạn hoặc bị thổi bay, ánh sáng dữ dội mờ đi, nhưng hố đen vẫn còn đó và thiên hà quay lại trạng thái nhân yên tĩnh.
• Hiểu lầm 5: "Quasar luôn ở xa tít tắp, hiện nay không còn." Chúng ta thấy quasar xa là do ánh sáng của chúng đã đi rất lâu mới đến nơi, nên ta nhìn thấy quá khứ. Tuy vậy, những quasar gần hơn cũng tồn tại, với quasar gần nhất cách khoảng 600 triệu năm ánh sáng.
• Hiểu lầm 6: "Dịch chuyển đỏ nghĩa là quasar đang bay đi với vận tốc vượt ánh sáng." Với quasar ở rất xa, nếu quy đổi theo hiệu ứng Doppler thông thường, ta sẽ ra vận tốc phi lý. Lý do là dịch chuyển đỏ của quasar có nguồn gốc vũ trụ học, tức do không gian giãn nở, chứ không phải do chúng "bay" qua không gian.

Quasar, AGN, Blazar, Seyfert: Phân Biệt Thế Nào?

Quasar chỉ là một phần của họ nhân thiên hà hoạt động (AGN). Từ đầu những năm 1980, hầu hết các nhà thiên văn coi QSO là loại AGN có độ sáng cao nhất. Một AGN là vùng gọn ở trung tâm thiên hà với độ sáng cao hơn hẳn bình thường, mà ánh sáng đó không đến từ các ngôi sao. Các thiên hà Seyfert thường có độ sáng ở mức trung bình hơn, còn blazar là loại có tia phản lực hướng gần như thẳng về phía chúng ta. Nhìn theo cách này, sự khác biệt giữa các loại phần lớn phản ánh độ sáng, góc nhìn và mức độ bị che khuất, chứ không nhất thiết là những vật thể hoàn toàn khác nhau.

Những Kỷ Lục Quasar Đáng Chú Ý

• Quasar sáng nhất đã biết: J0529-4351. Hố đen của nó có khối lượng khoảng 17-19 tỷ lần Mặt Trời, tiêu thụ khoảng 370 khối lượng Mặt Trời mỗi năm, tức hơn một Mặt Trời mỗi ngày. Độ sáng của nó gấp khoảng 500 nghìn tỷ lần Mặt Trời, và đĩa bồi tụ rộng khoảng 7 năm ánh sáng. Nó từng bị hệ thống tự động của vệ tinh Gaia gắn nhãn là ngôi sao vì quá sáng, và chỉ được xác nhận là quasar vào năm 2023.
• Quasar xa nhất (theo nghĩa quasar sáng điển hình): EUCL J1729. Tháng 7/2026, nhóm Euclid công bố 31 quasar cổ đại, trong đó EUCL J1729 có dịch chuyển đỏ z = 7,77, ứng với thời điểm vũ trụ mới khoảng 670 triệu năm tuổi, vượt kỷ lục z = 7,64 của quasar J0313−1806 được công bố năm 2021.
• Một "kỷ lục" khác còn tranh cãi: UHZ1. Kính Webb và Chandra đã phát hiện một nhân hoạt động phát tia X ở dịch chuyển đỏ khoảng 10,1 trong thiên hà UHZ1 vào năm 2023, và một số nguồn gọi nó là quasar xa nhất. Qua đó có thể thấy ranh giới giữa "quasar" và "AGN" có thể mang tính ước lệ.

Vì Sao Quasar Quan Trọng Với Khoa Học?

• Ngọn hải đăng của vũ trụ sơ khai: Do độ sáng cực lớn, quasar có thể được nhìn thấy từ những khoảng cách vũ trụ, và soi sáng thời kỳ tái ion hóa, khi các ngôi sao và thiên hà đầu tiên làm ion hóa lớp hydro trung hòa lấp đầy vũ trụ.
• Hiểu sự lớn lên của hố đen và thiên hà: Nghiên cứu quasar giúp các nhà khoa học hiểu cách hố đen siêu khối lượng và thiên hà tiến hóa cùng nhau.
• Lịch sử vũ trụ: Số lượng quasar thay đổi mạnh theo thời gian vũ trụ, với đỉnh hoạt động quanh khoảng dịch chuyển đỏ 2-3.

Những Điều Khoa Học Vẫn Chưa Biết Rõ

Một trong những câu đố lớn nhất là làm sao những lỗ đen khổng lồ lại xuất hiện sớm đến vậy. Quasar ULAS J1342+0928, phát hiện năm 2017 ở dịch chuyển đỏ 7,54, chứa một hố đen khoảng 780 triệu lần khối lượng Mặt Trời khi vũ trụ mới 690 triệu năm tuổi, và được mô tả là thách thức các lý thuyết hình thành lỗ đen hiện có. Việc tìm thêm quasar rất xa, như mục tiêu của nhóm Euclid là tìm quasar đầu tiên vượt dịch chuyển đỏ 8, sẽ giúp trả lời câu hỏi này. Ngoài ra, ngay cả những quasar siêu sáng cũng có thể lọt lưới: J0529-4351 từng bị bỏ sót hàng chục năm trong các cuộc khảo sát vì bị nhầm là sao.

Giải Thích Một Số Thuật Ngữ

• Quasar (QSO): Nhân thiên hà hoạt động cực sáng. Tên gốc là "quasi-stellar radio source", nghĩa là nguồn vô tuyến trông giống sao.
• Nhân thiên hà hoạt động (AGN): Vùng nhỏ ở tâm thiên hà sáng hơn bình thường rất nhiều, mà ánh sáng đó không đến từ các ngôi sao.
• Tia phản lực (jet): Dòng hạt phóng ra từ hai cực với tốc độ gần bằng ánh sáng.
• Dịch chuyển đỏ (redshift, z): Hiện tượng bước sóng ánh sáng bị kéo dài về phía đỏ. Với quasar xa, nguyên nhân là không gian giãn nở, và z càng lớn thì vật thể càng xa, càng cổ.
• Dãy Balmer: Nhóm vạch sáng đặc trưng của hydro trong vùng nhìn thấy. Schmidt nhận ra nó trong quang phổ 3C 273.
• Quasar vô tuyến mạnh và yếu: Phần lớn quasar phát sóng vô tuyến yếu hoặc không đáng kể, chỉ khoảng 10-15% phát vô tuyến mạnh.
• Thiên hà Seyfert: Loại thiên hà có nhân hoạt động, thường sáng ở mức thấp hơn quasar.
• Blazar: Nhân hoạt động có tia phản lực hướng gần như thẳng về phía Trái Đất.
• Thời kỳ tái ion hóa: Giai đoạn các ngôi sao và thiên hà đầu tiên làm ion hóa lớp hydro trung hòa lấp đầy vũ trụ sơ khai.
• Watt (W): Là đơn vị đo công suất, tức tốc độ sinh ra hoặc tiêu thụ năng lượng. 1 watt bằng 1 joule năng lượng mỗi giây.Ví dụ, bóng đèn 10 W tiêu thụ 10 joule mỗi giây.

Kết Luận

Quasar không phải là sao, cũng không đơn thuần là lỗ đen. Đó là lõi sáng rực của một thiên hà, nơi một lỗ đen siêu khối lượng đang bồi tụ khí với tốc độ cao, biến vật chất rơi vào thành ánh sáng chói lòa nhất vũ trụ. Hiểu đúng quasar giúp chúng ta đọc được lịch sử vũ trụ qua những ngọn hải đăng ở rất xa, và nhìn nhận chính xác hơn mối quan hệ giữa lỗ đen với thiên hà chủ của chúng. Mỗi kỷ lục mới, từ J0529-4351 đến EUCL J1729, lại cho thấy kho dữ liệu về quasar vẫn còn nhiều điều chờ được khám phá.

Nguồn tham khảo:

• Britannica - Quasar