XRISM phát hiện dòng vật chất nóng bên trong có thể cung cấp năng lượng cho tia phản lực mạnh của hố đen

Hố đen hút vật chất nhanh hé lộ ranh giới bên trong quan trọng

Một hố đen siêu nặng cách Trái Đất khoảng 420 triệu năm ánh sáng có thể tạo ra tia phản lực mạnh nhờ sự thay đổi về hình dạng và nhiệt độ của vật chất đang rơi vào nó. Các quan sát thiên hà 3C 120 cho thấy đĩa vật chất tương đối nguội và phẳng của thiên hà dừng lại trước hố đen, để lại một vùng bên trong chứa plasma nóng hơn nhiều, nơi các từ trường mạnh có thể tích tụ.

Nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Hirofumi Noda thuộc Đại học Tohoku và Phó Giáo sư Kazuhiro Hada thuộc Đại học Thành phố Nagoya dẫn đầu đã kết hợp các quan sát từ Sứ mệnh Chụp ảnh và Quang phổ tia X của Nhật Bản, có tên XRISM, với số liệu đo từ ba mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến quốc tế. Các thiết bị này cùng nhau liên kết cấu trúc của vật chất đang rơi vào với tia phản lực hẹp xuất hiện gần hố đen.

Kết quả được công bố trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters ngày 19 tháng 10 năm 2026, giúp giải đáp một câu hỏi hóc búa: Làm thế nào một hố đen vừa có thể nuốt vật chất nhanh chóng, vừa phóng ra một dòng plasma mạnh gần bằng tốc độ ánh sáng? Loại đĩa vật chất được cho là hình thành khi hố đen hút vật chất nhanh vốn bị xem là không phù hợp để tích tụ các từ trường cần thiết cho quá trình đó.

Thông báo nghiên cứu của Đại học Tohoku, công bố ngày 20 tháng 10, nêu ra một lời giải khả dĩ. Đĩa ngoài nguội hơn nhường chỗ cho dòng vật chất nóng bên trong, tạo điều kiện để các từ trường có thể khai thác năng lượng từ chuyển động quay của hố đen và dồn năng lượng đó vào một tia phản lực.

Vì sao 3C 120 là một câu đố

3C 120 nằm theo hướng của chòm sao Kim Ngưu. Hố đen ở trung tâm thiên hà có khối lượng khoảng 60 triệu lần khối lượng Mặt Trời, vừa nhanh chóng tiêu thụ vật chất xung quanh vừa tạo ra một tia phản lực mạnh. Sự kết hợp này khiến nó trở thành mục tiêu hữu ích để tìm hiểu mối liên hệ giữa quá trình hút vật chất và tạo tia phản lực.

Vật chất tiến đến hố đen thường có một phần chuyển động ngang, vì vậy nó quay dần vào trong thay vì rơi thẳng xuống. Vật chất tụ lại thành đĩa bồi tụ, nơi ma sát và các quá trình khác làm nóng vật chất cho đến khi nó phát ra ánh sáng cùng các dạng bức xạ khác. Các nhà thiên văn nghiên cứu bức xạ đó để tìm hiểu một vùng mà họ không thể quan sát trực tiếp.

Thông thường, người ta cho rằng quá trình hút vật chất nhanh tạo ra một đĩa tương đối nguội, mỏng về mặt hình học và kéo dài đến gần hố đen. Ở đây, nguội là cách so sánh với plasma nóng hơn nhiều ở gần trung tâm. Đĩa mỏng có độ dày theo chiều đứng nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng, gần giống một tấm phẳng.

Khó khăn nằm ở từ trường. Một giả thuyết hàng đầu về các tia phản lực mạnh đòi hỏi từ trường mạnh gần một hố đen đang quay. Người ta cho rằng đĩa mỏng khó duy trì cấu trúc từ trường cần thiết. Dòng vật chất nóng hơn và dày hơn ở bên trong tạo môi trường thuận lợi hơn, khiến vị trí đĩa chuyển dạng trở thành trọng tâm của nghiên cứu.

XRISM khảo sát đĩa qua sắt

XRISM, một sứ mệnh của Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản, phát hiện tia X do sắt trong vật chất quanh hố đen của 3C 120 phát ra. Sắt phát bức xạ ở những mức năng lượng đặc trưng, tạo nên một đặc điểm dễ nhận biết gọi là vạch phát xạ trong phổ tia X. Phổ tách bức xạ theo năng lượng.

Vạch sắt thay đổi hình dạng khi ở gần hố đen. Vật chất chuyển động về phía hoặc ra xa người quan sát làm thay đổi năng lượng của bức xạ mà họ nhận được. Lực hấp dẫn mạnh gần hố đen cũng làm thay đổi năng lượng của tia X thoát ra. Hai hiệu ứng này kết hợp khiến vạch bị trải rộng và biến dạng.

Các nhà nghiên cứu dùng sự biến dạng đó để ước tính đĩa tương đối nguội kéo dài vào phía trong bao xa. Trường đại học cho biết mép trong của đĩa nằm cách hố đen khoảng 20 lần bán kính hố đen. Mô tả khoa học biểu thị ranh giới này ở khoảng 20 bán kính hấp dẫn, một thang đo khoảng cách dựa trên khối lượng hố đen.

Nhóm nghiên cứu suy luận rằng bên trong ranh giới này, vật chất chuyển sang dòng nóng và dày về mặt hình học. Plasma tại đó được cho là đạt nhiệt độ hàng trăm triệu độ. Plasma là chất khí trong đó các electron đã tách khỏi nguyên tử, khiến vật chất tương tác mạnh với từ trường.

Kính viễn vọng vô tuyến lần theo tia phản lực vào phía trong

Các quan sát vô tuyến được thực hiện vào khoảng cùng thời điểm cung cấp nửa còn lại của bức tranh. Nhóm nghiên cứu sử dụng Mạng lưới giao thoa kế đường cơ sở rất dài milimét toàn cầu, Mạng lưới đường cơ sở rất dài và Mạng lưới VLBI Đông Á để lần theo tia phản lực khi nó thu hẹp về phía hố đen.

Các mạng lưới này kết hợp số liệu đo từ những kính viễn vọng đặt cách xa nhau thông qua giao thoa kế đường cơ sở rất dài, hay VLBI. Phương pháp này giúp các nhà thiên văn phân biệt những chi tiết nhỏ hơn nhiều so với khả năng phân giải của một kính viễn vọng vô tuyến đơn lẻ. Trong nghiên cứu này, phương pháp giúp họ theo dõi tia phản lực về phía nguồn phát.

Dựa trên hình dạng tia phản lực, các nhà nghiên cứu ước tính bán kính chân tia không lớn hơn khoảng 10 lần bán kính hố đen. Cách diễn giải kết hợp của họ cho thấy tia phản lực bắt nguồn từ bên trong dòng vật chất nóng được xác định qua các phép đo tia X, ở gần hố đen.

Noda, phó giáo sư Đại học Tohoku đồng chủ trì nghiên cứu, giải thích tầm quan trọng của việc kết hợp các quan sát:

Bằng cách quan sát cùng một hố đen bằng các kính viễn vọng tia X và vô tuyến tối tân, chúng tôi có thể thấy cả plasma nóng bao quanh hố đen lẫn tia phản lực phát ra từ nó. Điều này cho phép chúng tôi trực tiếp liên kết môi trường cực đoan gần hố đen với quá trình hình thành tia phản lực.

Chuyển động quay có thể cung cấp năng lượng cho tia phản lực ra sao

Lời giải thích mà nhóm nghiên cứu đề xuất liên kết ba yếu tố: một hố đen đang quay, dòng plasma nóng đang chảy vào và các từ trường mạnh. Đĩa ngoài nguội hơn cung cấp vật chất. Khi đến gần hố đen, dòng nóng và dày hơn tạo ra một vùng nơi từ trường có thể tích tụ dễ dàng hơn.

Các từ trường này sau đó có thể lấy đi một phần năng lượng quay của hố đen và hướng năng lượng đó vào một dòng plasma hẹp. Mô tả lý thuyết hàng đầu về quá trình này có tên là cơ chế Blandford-Znajek. Nói đơn giản, các từ trường kết nối môi trường đang quay gần hố đen với vật chất được gia tốc hướng ra ngoài.

Vì vậy, tia phản lực được cấp năng lượng ở gần hố đen trong khi vật chất khác tiếp tục rơi vào. Hệ thống có hai dòng chuyển động liên kết: vật chất chảy vào và dòng chảy hướng ra ngoài mang năng lượng đến vùng xung quanh trong thiên hà.

Đối với 3C 120, các nhà nghiên cứu cho rằng sự chuyển đổi từ đĩa ngoài mỏng sang dòng vật chất dày bên trong giúp hai dòng chuyển động này tương thích. Cấu trúc từ trường chính xác và cách năng lượng quay được truyền vào tia phản lực vẫn cần được nghiên cứu thêm.

Sự thay đổi cấu trúc liên kết các phép đo

Tiêu đề bài báo, "Sự cắt cụt đĩa kích hoạt quá trình phóng tia phản lực tương đối tính từ một hố đen siêu nặng bồi tụ mạnh", tóm lược mối liên hệ được đề xuất. Cắt cụt đĩa có nghĩa là phần đĩa mỏng và nguội hơn kết thúc trước khi chạm tới hố đen. Tương đối tính mô tả chuyển động nhanh đến mức cần có thuyết tương đối của Einstein để hiểu được.

Các phép đo tia X xác định ranh giới trong của đĩa nguội hơn. Các phép đo vô tuyến lần theo tia phản lực về phía một vùng nằm bên trong ranh giới đó. Khi xem xét cùng nhau, các quan sát đưa ra lời giải thích về mặt không gian cho cách một hệ thống hút vật chất nhanh vẫn duy trì được điều kiện thuận lợi để tạo ra tia phản lực mạnh.

Điều này cụ thể hơn việc chỉ phát hiện một đĩa và một tia phản lực quanh cùng một thiên thể. Nghiên cứu liên kết sự thay đổi cấu trúc của đĩa với vị trí tia phản lực bắt đầu, đưa vật chất đi vào và đi ra vào cùng một bức tranh vật lý.

3C 120 đặc biệt hữu ích vì nó bồi tụ vật chất tương đối nhanh. Nghiên cứu so sánh thiên hà này với những thiên hà hoạt động bồi tụ yếu hơn như M87, nơi các dòng vật chất nóng và dày đã góp phần củng cố lời giải thích về từ trường trong quá trình tạo tia phản lực. Kết quả mới mở rộng nghiên cứu đó sang một môi trường bồi tụ khác.

Vì sao kết quả có ý nghĩa vượt ra ngoài một thiên hà

Các tia phản lực mang năng lượng ra khỏi vùng lân cận trực tiếp của những hố đen siêu nặng. Khi tương tác với khí trong và xung quanh các thiên hà, chúng có thể làm thay đổi điều kiện hình thành sao. Vì vậy, tìm hiểu nguồn năng lượng gần hố đen giúp các nhà nghiên cứu khảo sát những biến đổi diễn ra trên quy mô lớn hơn nhiều.

Các phát hiện về 3C 120 cho thấy mối liên hệ cụ thể giữa những quy mô này: cấu trúc của vật chất chảy vào có thể giúp quyết định liệu một tia phản lực mạnh có thể hình thành hay không. Ranh giới gần hố đen có thể ảnh hưởng đến cách năng lượng được truyền đi xa khỏi nó.

Nhóm nghiên cứu đang tiến hành các quan sát phối hợp tiếp theo đối với một hố đen có khối lượng lớn hơn, sử dụng XRISM và các đài quan sát vô tuyến toàn cầu. Các nhà nghiên cứu cũng dự định so sánh số liệu đo với các mô hình lý thuyết và mô phỏng máy tính, nhằm kiểm tra mức độ phù hợp của hình học được đề xuất với hành vi của vật chất và từ trường.

Noda mô tả mục tiêu của giai đoạn tiếp theo:

Mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là xây dựng bức tranh toàn diện hơn về cách vật chất, từ trường và chuyển động quay của hố đen tương tác trong những môi trường cực đoan này. Hiểu được quá trình này cũng có thể giúp chúng tôi hiểu rõ hơn cách các hố đen siêu nặng ảnh hưởng đến sự tiến hóa của các thiên hà và những cấu trúc lớn hơn trong Vũ trụ.

Công bố nghiên cứu và các quan sát tiếp theo

Nghiên cứu kết hợp một sứ mệnh tia X của Nhật Bản với các mạng lưới vô tuyến trải rộng trên nhiều khu vực. Các phép đo bổ trợ cho nhau là yếu tố then chốt của phương pháp: tia X cho thấy điều kiện trong dòng bồi tụ, còn quan sát vô tuyến lần theo cấu trúc của tia phản lực.

Trình tự công bố và kế hoạch nghiên cứu tiếp theo như sau:

• Ngày 19 tháng 10 năm 2026: The Astrophysical Journal Letters công bố nghiên cứu do Noda và Hada dẫn đầu.
• Ngày 20 tháng 10 năm 2026: Đại học Tohoku thông báo các phát hiện và mô tả những quan sát kết hợp tia X với vô tuyến.
• Giai đoạn tiếp theo: Nhóm nghiên cứu đang tiến hành các quan sát phối hợp đối với một hố đen có khối lượng lớn hơn và so sánh kết quả với các mô hình cùng mô phỏng.

Bài báo có mã DOI 10.3847/2041-8213/aeaa2c. Thông tin công bố này cũng được liệt kê trong thông báo chính thức về nghiên cứu. Áp dụng cùng phương pháp quan sát cho một hố đen khác sẽ giúp nhóm nghiên cứu xem xét liệu sự chuyển đổi cấu trúc được phát hiện ở 3C 120 có xuất hiện trong một hệ thống khác hay không.

Điểm chính

• XRISM và ba mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến đã khảo sát 3C 120, cách Trái Đất khoảng 420 triệu năm ánh sáng.
• Hố đen của thiên hà này có khối lượng khoảng 60 triệu lần khối lượng Mặt Trời, nhanh chóng tiêu thụ vật chất đồng thời phóng ra một tia phản lực mạnh.
• Các phép đo tia X cho thấy đĩa mỏng và nguội hơn kết thúc trước khi chạm tới hố đen, nhường chỗ cho dòng vật chất nóng hơn nhiều ở bên trong.
• Quan sát vô tuyến lần theo nguồn gốc tia phản lực đến vùng có dòng vật chất nóng đó.
• Nhóm nghiên cứu cho rằng các từ trường tích tụ tại đây có thể khai thác năng lượng quay của hố đen để cấp năng lượng cho tia phản lực.
• Các quan sát tiếp theo sẽ khảo sát một hố đen có khối lượng lớn hơn và kiểm chứng lời giải thích này bằng các mô hình lý thuyết cùng mô phỏng.