Đo một siêu hố đen bằng cách kết hợp dữ liệu tia X

Lần đầu tiên, các nhà thiên văn đã đo được hoạt động xoay của một siêu hố đen bằng cách kết hợp dữ liệu tia X do các kinh thien van không gian XMM-Newton (tia X mềm) và NuSTAR (tia X cứng) thu được. Siêu hố đen nằm nằm ở trung tâm một ngân hà có tên NGC 1365 và được tím thấy khi đang xoay ở 84% tốc độ tối đa cho phép theo thuyết tương đối rộng hay nói cách khác rìa hố đen này đang xoay ở vận tốc bằng 84% vận tốc ánh sáng.
Các siêu hố đen là những chủ thể lớn nhất từng được biết đến với khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỉ lần so với khối lượng mặt trời. Các nhà thiên văn tin rằng hầu hết các ngân hà đều chứa 1 siêu hố đen ở trung tâm của chúng. Siêu hố đen được bao quanh bởi một đĩa bồi vật chất gồm bụi và khí, vật chất từ đây sẽ rơi vào bên trong hố đen.
Hầu hết các hố đen xoay đều có mô-men góc. Khi dải ngân hà đang xoay quanh hố đen, các vật chất di chuyển hướng về hố đen dưới tác động của lực hút mang mô-men góc đi theo hố đen. Mô-men góc này khiến không-thời gian xung quanh siêu hố đen xoay và sinh ra hiệu ứng kéo hệ quy chiếu (frame dragging). Ở đây có một tỉ lệ tối đa mà không-thời gian có thể xoay, tức là tốc độ tuyến tính của hiệu ứng kéo hệ quy chiếu phải bé hơn tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, điều này vẫn chưa được làm rõ và chúng ta thậm chí còn không biết các hố đen được hình thành như thế nào hay tạo sao siêu hố đen lại nằm ở trung tâm của các ngân hà.

May mắn là các nhà khoa học đã vừa phát triển một phương thức để tính tốc độ xoay của siêu hố đen. Tại khu vực gần siêu hố đen, đĩa bồi vật chất rất nóng (ảnh trên) và thải ra một lượng lớn tia X. Nói một cách cụ thể hơn là các tia X tích hợp với nguyên tử sắt bị kích thích có thể được nhìn thấy rất rõ ràng. Tuy nhiên, sự xuất hiện của chúng lại khá kì lạ. Chúng được trải trên một cự ly năng lượng rất rộng và sự phân bố của chúng nắm giữ những manh mối về tỉ lệ xoay của siêu hố đen.
Các tia X sắt được tạo ra bởi sự phát huỳnh quang gần rìa trong của đĩa bồi vật chất. Điều này có nghĩa nguồn tia X sắt đang di chuyển rất nhanh xung quanh siêu hố đen, do đó quang phổ của tia X sắt được phát tán tương ứng thuyết tương đối rộng theo hiệu ứng Doppler.
Các đặc điểm cấu trúc của quang phổ tia X sắt cho phép các nhà nghiên cứu xác định tốc độ xoay của siêu hố đen. Cường độ năng lượng tia X đã biến đổi trong khoảng giới hạn giữa 5 và 50 kiloelectron Volt (keV).Kính thiên văn vũ trụ XMM-Newton của ESA rất nhạy đối với tia X mềm (cường độ từ 1 đến 10 keV) nên có thể nhận biết quang phổ nhưng những dữ liệu bị giới hạn này lại thỏa mãn với nhiều lý giải, vì vậy tốc độ xoay của siêu hố đen không thể được xác định từ các phép đo vừa nêu.
NuSTAR của NASA là một kính thiên văn vũ trụ được phóng lên quỹ đạo vào giữa năm 2012. Với độ nhạy đối với mức năng lượng từ 6 đến 79 keV, NuSTAR có thể ghi lại hình ảnh của các vật thể tạo ra tia X ở các mức năng lượng lớn hơn so với các thế hệ kính thiên văn trước đây.

Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã sử dụng NuSTAR để ghi lại một quang phổ của các tia X cứng liên kết với huỳnh quang của các nguyên tử sắt. Kết hợp với dữ liệu mới từ NuSTAR, các nhà thiên văn đã có thể tính ra mô-men góc của siêu hố đen tại ngân hà NGC 1365 phải có giá trị ít nhất là 84% so với giá trị tối đa, tương đương với tốc độ ánh sáng.
Phát hiện trên sẽ giúp các nhà thiên văn tìm hiểu sự tiến hóa của các hố đen và ngân hà.

Theo: Gizmag