Các nhà thiên văn Ấn Độ phát hiện thiên hà vô tuyến đầu tiên có bốn chu kỳ hoạt động của hố đen

Bốn thế hệ tia phản lực trong một thiên hà khổng lồ

Một thiên hà trải dài khoảng 4,2 triệu năm ánh sáng lưu giữ dấu tích của bốn đợt hoạt động riêng biệt quanh hố đen siêu nặng ở trung tâm, giúp các nhà thiên văn có được hồ sơ dài bất thường về một động cơ vũ trụ lần lượt tắt rồi khởi động lại.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Giáo dục và Nghiên cứu Khoa học Ấn Độ (IISER) ở Pune và Trung tâm Quốc gia về Vật lý Thiên văn Vô tuyến (NCRA-TIFR) đã xác định được bốn cặp đặc điểm vô tuyến sáng trong thiên hà hình chữ S J023721.13-010528.5. Mỗi cặp gắn với một thế hệ tia phản lực khác nhau, là những dòng hạt năng lượng cao mạnh mẽ phóng ra từ khu vực quanh hố đen.

Nhóm nghiên cứu mô tả đây là thiên hà vô tuyến đầu tiên được biết đến có dấu hiệu của bốn đợt hoạt động như vậy. Trong số hàng chục nghìn thiên hà vô tuyến mà các nhà thiên văn đã nghiên cứu, phần lớn chỉ cho thấy một giai đoạn hoạt động tia phản lực lớn. Trước đó, chỉ có sáu thiên hà được xác định có dấu hiệu của ba đợt.

Nghiên cứu do Pavan Khadekar, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại IISER Pune, thực hiện dưới sự hướng dẫn của Dharam Vir Lal thuộc NCRA-TIFR và Ramana Athreya thuộc IISER Pune. Các phát hiện được công bố trên The Astrophysical Journal ngày 21 tháng 10 năm 2026.

Chu kỳ hoạt động của hố đen là gì?

Hố đen siêu nặng có thể có khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần Mặt Trời. Vật chất tích tụ quanh nó có thể tạo thành một dòng nóng, quay quanh hố đen. Một phần năng lượng giải phóng trong khu vực này có thể tạo ra các tia phản lực vươn xa khỏi phần nhìn thấy được của thiên hà chủ.

Các nhà thiên văn gọi một thiên hà là thiên hà vô tuyến khi những cấu trúc gắn với hoạt động này phát sáng mạnh ở bước sóng vô tuyến. Kính thiên văn vô tuyến phát hiện bức xạ đó, qua đó hé lộ những đặc điểm mà ảnh chụp thông thường bằng ánh sáng khả kiến có thể bỏ sót.

Các tia phản lực có thể duy trì hoạt động hàng triệu năm trước khi mờ dần. Một lần khởi động lại sau đó có thể phóng ra một cặp tia mới trong khi những cấu trúc cũ hơn vẫn còn được phát hiện ở xa hơn. Vì vậy, một thiên hà có thể đồng thời lưu giữ nhiều thế hệ hoạt động, giống như những dấu vết nối tiếp trên cảnh quan lưu lại sự kiện từ nhiều thời kỳ.

Ở J023721.13-010528.5, phát hiện cốt lõi là sự hiện diện của bốn thế hệ trong cùng một hệ. Hố đen vẫn ở nguyên vị trí qua các đợt này; điều thay đổi là hoạt động gắn với vật chất quanh nó và các tia phản lực do hố đen cung cấp năng lượng.

Nhóm nghiên cứu tái dựng lịch sử thiên hà ra sao?

Khadekar và các cộng sự kết hợp quan sát từ Kính thiên văn vô tuyến khổng lồ bước sóng mét của Ấn Độ (GMRT), Mảng kính thiên văn Rất Lớn tại Mỹ và kính thiên văn MeerKAT của Nam Phi. Các quan sát này giúp nhóm nghiên cứu khảo sát cấu trúc vô tuyến rộng lớn của thiên hà và phân biệt những đặc điểm gắn với các đợt hoạt động khác nhau.

Bằng chứng then chốt là bốn cặp điểm nóng. Điểm nóng là vùng sáng gắn với một tia phản lực, thường là nơi dòng vật chất chuyển động nhanh truyền năng lượng sang vật chất xung quanh. Những vùng này giúp các nhà thiên văn lần theo đường đi và quá trình tương tác với môi trường của tia phản lực.

Bốn cặp nghĩa là có tám vùng sáng, được sắp thành bốn nhóm tương ứng. Việc ghép thành cặp có ý nghĩa vì tia phản lực thường phóng ra theo hai hướng đối nghịch từ khu vực trung tâm. Các nhà nghiên cứu xem bốn nhóm này là bằng chứng của những thế hệ riêng biệt, thay vì một đợt hoạt động liên tục.

Ban đầu, Athreya không tin rằng thiên hà đã bước vào giai đoạn hoạt động thứ tư, dù Lal khẳng định điều đó. Ông cho biết cần thời gian để thu thập bằng chứng thuyết phục. Sự thẩm định kỹ lưỡng này đóng vai trò then chốt: để xác định thế hệ thứ tư, nhóm nghiên cứu phải chứng minh các cấu trúc quan sát được khớp với nhau như thế nào.

Lịch sử kéo dài hàng triệu năm

Độ tuổi ước tính của các thế hệ điểm nóng nằm trong khoảng từ khoảng sáu triệu đến 21 triệu năm. Các nhà nghiên cứu cũng cho rằng đợt hoạt động mới nhất bắt đầu cách đây vài triệu năm. Những ước tính này mô tả lịch sử được tái dựng từ bức xạ vô tuyến của thiên hà, chứ không phải những biến đổi được theo dõi trong một đời người.

Trình tự khái quát như sau:

• Khoảng 21 triệu năm trước: mốc lâu đời hơn trong khoảng tuổi ước tính của các thế hệ tia phản lực quan sát được.
• Khoảng sáu triệu năm trước: mốc gần đây hơn trong khoảng tuổi ước tính đó.
• Cách đây vài triệu năm: thời điểm ước tính đợt hoạt động thứ tư và mới nhất bắt đầu.
• Ngày 21 tháng 10 năm 2026: ngày công bố các phát hiện trên The Astrophysical Journal.

Các con số trải dài khoảng 15 triệu năm giữa hai mốc lâu đời và gần đây hơn trong khoảng được nêu. Điều này cho thấy hồ sơ quan sát có chiều sâu đến mức nào, dù các nhà nghiên cứu chưa đưa ra thời gian biểu đầy đủ cho từng lần khởi động lại hoặc những khoảng lặng xen giữa.

Các nhà thiên văn ước tính tuổi của cấu trúc vô tuyến dựa trên đặc tính vật lý và mô hình tiến hóa của chúng. Các hạt năng lượng cao biến đổi khi phát xạ và di chuyển, để lại dấu hiệu trong tín hiệu vô tuyến. Tuổi thu được chỉ là ước tính, vì vậy trình tự này cần được hiểu trên thang thời gian hàng triệu năm.

Vì sao bốn đợt hoạt động khiến thiên hà này khác thường?

J023721.13-010528.5 bổ sung chương thứ tư vào một kiểu lịch sử mà các nhà thiên văn hiếm khi lần theo được dù chỉ qua ba đợt. Sáu thiên hà từng được xác định có ba đợt là những ví dụ về hoạt động lặp lại; thiên thể này kéo dài chuỗi quan sát ấy thêm một thế hệ.

Quy mô của thiên hà khiến hồ sơ đó càng đáng chú ý. Một năm ánh sáng là quãng đường ánh sáng đi được trong một năm, nên ánh sáng cần khoảng 4,2 triệu năm để đi hết quãng đường 4,2 triệu năm ánh sáng. Ở đây, kích thước được nêu là phạm vi khổng lồ của thiên hà và cấu trúc vô tuyến của nó.

Hình dạng chữ S là một phần khác trong hình thái quan sát được. Nghiên cứu ghi nhận hình dạng này cùng với nhiều cặp điểm nóng, nhưng nguyên nhân tạo nên đường cong chưa được xác định trong phần mô tả phát hiện. Giải thích hình dạng và tái dựng các chu kỳ hoạt động là những nhiệm vụ có liên quan, đòi hỏi xem xét cách sắp xếp của các đặc điểm vô tuyến.

Giá trị khoa học nằm ở việc các đợt hoạt động nối tiếp được lưu giữ quanh cùng một động cơ trung tâm. Các nhà nghiên cứu có thể so sánh những thế hệ đó trong một thiên hà, nơi chúng cùng có chung thiên hà chủ và môi trường xung quanh, thay vì hoàn toàn dựa vào việc đối chiếu các thiên thể khác nhau.

Các tia phản lực đang yếu đi hay ngắn hơn?

Các nhà nghiên cứu cho rằng qua mỗi đợt nối tiếp, tia phản lực có thể mất dần công suất, duy trì hoạt động trong thời gian ngắn hơn, hoặc xảy ra cả hai. Bốn thế hệ tạo thêm cơ hội khảo sát khả năng này so với một thiên hà chỉ có một lần khởi động lại quan sát được.

Công suất và thời lượng là hai khía cạnh khác nhau. Tia phản lực yếu hơn truyền năng lượng chậm hơn. Một đợt ngắn hơn truyền năng lượng trong thời gian ít hơn. Cả hai thay đổi đều có thể làm biến đổi các cấu trúc để lại, trong khi khí xung quanh cũng có thể ảnh hưởng đến cách tia phản lực mở rộng và mờ dần.

Vì vậy, giả thuyết này liên quan đến khả năng công suất phát ra từ hố đen thay đổi qua các đợt lặp lại. Phát hiện mới cung cấp cho các nhà nghiên cứu một hệ để khảo sát xu hướng đó, với tàn tích cũ và cấu trúc mới hơn có thể đem ra so sánh.

Nguyên nhân khiến hoạt động liên tục dừng rồi khởi động lại vẫn chưa được biết. Vật chất đi vào khu vực trung tâm cung cấp năng lượng cho quá trình tạo tia phản lực, nên những thay đổi về nguồn cung này có liên quan đến việc tìm hiểu chu kỳ. Muốn xác định điều gì đã xảy ra trong thiên hà cụ thể này, cần nghiên cứu thêm các cấu trúc vô tuyến và môi trường của nó.

Ba đài quan sát, một hồ sơ chung

Phát hiện này kết hợp các quan sát từ những thiết bị trên ba châu lục. Các quan sát vô tuyến khác nhau có thể giúp các nhà nghiên cứu khảo sát cả những đặc điểm sáng, nhỏ gọn lẫn phát xạ khuếch tán yếu hơn nhiều. Với một thiên hà có nhiều thế hệ hoạt động, việc phát hiện lại những dấu tích cũ là thiết yếu để tái dựng lịch sử của nó.

Khadekar, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại IISER Pune và là người đứng đầu nghiên cứu, mô tả việc tiếp cận dữ liệu từ các đài quan sát đã hỗ trợ công trình như thế nào:

"Nhiều kính thiên văn vô tuyến cung cấp miễn phí dữ liệu cho các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới. Triết lý hợp tác này của các đài quan sát giúp việc nghiên cứu toàn diện hơn và sử dụng dữ liệu hiệu quả hơn; các nhà khoa học khác nhau có thể dùng cùng những quan sát đó để tìm hiểu các ý tưởng khác nhau", Khadekar nói.

Việc kết hợp dữ liệu quan sát từ GMRT, Mảng kính thiên văn Rất Lớn và MeerKAT minh họa cho cách tiếp cận này. Một quan sát vô tuyến được thu thập phục vụ một nghiên cứu cũng có thể chứa bằng chứng hữu ích cho nghiên cứu khác, trong đó có những cấu trúc mờ chỉ trở nên đáng chú ý khi được xem xét cùng dữ liệu khác.

Những nghiên cứu tiếp theo về các thiên hà tương tự có thể giúp xác định hoạt động lặp lại phổ biến đến đâu và liệu các tia phản lực về sau có thường yếu hơn hoặc ngắn hơn hay không. Hiện tại, J023721.13-010528.5 là trường hợp hiếm có bốn thế hệ để khảo sát, mở rộng lịch sử quan sát về hoạt động lặp lại của hố đen vượt xa các ví dụ đã biết trước đây.

Những điểm chính

• Các nhà nghiên cứu tại IISER Pune và NCRA-TIFR xác định thiên hà vô tuyến đầu tiên được biết đến có bằng chứng về bốn đợt hoạt động riêng biệt của hố đen.
• Thiên hà hình chữ S J023721.13-010528.5 trải dài khoảng 4,2 triệu năm ánh sáng.
• Bốn cặp điểm nóng lần theo các thế hệ tia phản lực khác nhau, với độ tuổi ước tính từ sáu triệu đến 21 triệu năm.
• Đợt hoạt động mới nhất dường như bắt đầu cách đây vài triệu năm.
• Nhóm nghiên cứu kết hợp quan sát từ GMRT của Ấn Độ, Mảng kính thiên văn Rất Lớn tại Mỹ và kính thiên văn MeerKAT của Nam Phi.
• Các nhà nghiên cứu cho rằng những tia phản lực ở các đợt sau có thể yếu hơn hoặc duy trì hoạt động trong thời gian ngắn hơn. Nguyên nhân khiến chúng liên tục ngừng rồi khởi động lại vẫn chưa được biết.