Chùm tia gamma siêu năng lượng

Với việc sử dụng kết hợp nhiều kính thiên văn trên toàn cầu, các nhà khoa học đã khám phá ra những tia gamma năng lượng cực lớn đang tiến đến từ một vùng gần sát với hố đen siêu lớn. Phát hiện này cung cấp những thông tin quan trọng về sự hoạt động bí hiểm của những “động cơ” mạnh mẽ nằm ở trung tâm của vô số thiên hà trong khắp vũ trụ.

Thiên hà M87, ở vị trí cách Trái đất 50 triệu năm ánh sáng, chứa trong tâm nó một hố đen có kích thước lớn gấp 6 tỉ lần kích thước Mặt trời. Hố đen là một tập hợp vật chất dày đặc đến nỗi không một chút ánh sáng nào có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của nó. Người ta tin rằng hố đen hút các vật chất từ vùng xung quanh nó – và những vật chất này khi rơi vào hố đen sẽ hình thành một đĩa quay xoay tròn.

Những quá trình diễn ra ở gần đĩa này, bị chi phối bởi nguồn năng lượng cực lớn từ trọng lực của hố đen, đẩy các vật chất năng lượng ra xa hàng nghìn năm ánh sáng. Hiện tượng này khiến người ta quan sát được các tia phát ra từ rất nhiều thiên hà. Năm 1998, các nhà thiên văn đã phát hiện ra M87 cũng đang phát ra các tia gamma có năng lượng cao gấp một nghìn tỉ lần so với ánh sáng thông thường.

Tuy nhiên, các kính viễn vọng khám phá ra những chùm tia gamma năng lượng cao này đã không thể xác định được các tia đó bắt nguồn từ vị trí nào của thiên hà. Trong năm 2007 và 2008, các nhà thiên văn học sử dụng những kính viễn vọng quan sát tia gamma này đã kết hợp nghiên cứu cùng một nhóm sử dụng hệ thống kính viễn vọng vô tuyến VLBA (Very Long Baseline Array).

“Việc kết hợp giữa những quan sát tia gamma với hình ảnh vô tuyến siêu nét của VLBA cho phép chúng tôi nhìn thấy các tia gamma đang tiến đến từ một vùng rất gần hố đen,” theo Craig Walker thuộc Đài quan sát Thiên văn Vô tuyến Quốc gia (NRAO).

“Tìm được chính xác vị trí của vùng phát ra tia này sẽ trả lời cho câu hỏi trước nay vẫn còn để ngỏ và cung cấp những gợi mở giúp làm rõ năng lượng cao phát ra như thế nào từ những tia này,” Matthias Beilicke, cán bộ giảng dạy trường đại học Washington ở St. Louis cho biết.

Ánh sáng tia gamma phát ra từ thiên hà được theo dõi bởi các hệ thống kính thiên văn lớn thiết kế riêng cho phát hiện các tia sáng xanh khi tia gamma xâm nhập vùng khí quyển Trái đất. Dữ liệu từ những camera siêu nhạy trong các hệ thống này cho phép nhóm nghiên cứu suy ra nguồn năng lượng tia gamma và hướng mà chúng xuất phát. Tuy nhiên, các thông tin về hướng không đủ chính xác để khoanh vùng được vị trí phát ra tia này trong thiên hà.

Hệ thống kính VLBA cải thiện năng suất phân giải cao gấp hàng triệu lần, cho phép các nhà khoa học xác định rằng tia gamma đến từ vùng phụ cận các hố đen. Mặc dù tia gamma là dạng bức xạ điện tử giàu năng lượng nhất và sóng vô tuyến là dạng ít năng lượng nhất, nhưng cả hai thường đều xuất hiện từ cùng một vùng. Điều này được thể hiện rất rõ khi ánh sáng tia gamma giàu năng lượng nhất đi kèm với những tia phát ra sóng vô tuyến xuất phát từ thiên hà được VLBA quan sát.

M87 là thiên hà lớn nhất trong cụm thiên hà Virgo Cluster, nằm ở trung tâm của “xâu” thiên hà bao gồm cả nhóm Local Group có chứa dải Ngân Hà của chúng ta. Hố đen trong M87 có một “chân trời vũ trụ”, các vật chất không thể thoát ra khỏi đây. Nó có kích thước gần bằng 2 lần hệ Mặt Trời, và bằng một phần cực nhỏ kích thước của tổng thể một thiên hà. Những phép đo đạc mới nhất cho thấy các tia gamma đến từ một khu vực có kích thước tối đa bằng 50 lần kích thước của chân trời vũ trụ.

Hệ thống kính thiên văn đã phát hiện ra các tia gamma bao gồm ăngten VERITAS ở Arizona, hệ thống H.E.S.S. ở Namibia, và hệ MAGIC ở La Palma thuộc quần đảo Canary.

VLBA là một hệ thống gồm 10 ăngten thiên văn - vô tuyến trải dọc từ Hawaii tới vùng biển Carribean, được vận hành bởi Đài quan sát NRAO ở Socorro, bang New Mexico. VLBA đem lại năng suất phân giải cao tương đương với khả năng đọc được một tờ báo đặt ở New York khi đang đứng ở Los Angeles.

Walker và Beilicke đã hợp tác cùng Fred Davies thuộc đài quan sát NRAO và Henric Krawczynski đến từ đại học Washington, Phil Hardee từ đại học Alabama, Bill Junor từ phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Chun Ly từ đại học California ở Los Angeles, cùng rất nhiều nhà khoa học nữa thuộc VERITAS, H.E.S.S., và MAGIC. Nhóm nghiên cứu đã báo cáo kết quả thu được trên tờ Science trực tuyến hôm 2/7 vừa qua.

Soi kỹ vào vùng lõi thiên hà M87: ở bên trái là hình ảnh thiên hà với những tia phát ra sóng vô tuyến ở khoảng cách gần 200.000 năm ánh sáng. Tiếp đến là hình ảnh zoom gần hơn vào lõi thiên hà, nơi tồn tại một hố đen có kích thước siêu lớn. Theo nhận định của tác giả, hố đen ở trung tâm thiên hà có kích thước bằng 2 lần hệ Mặt Trời, gấp khoảng 6 tỉ lần Mặt trời, nhưng chỉ bằng một phần rất nhỏ kích thước một thiên hà. (Ảnh: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF)