Khám phá ra hố đen gần Trái Đất nhất, nằm ở hệ sao mà ta có thể thấy bằng mắt thường

Đứng tại Nam Bán Cầu vào mùa Đông, bạn có thể thấy một một chấm xanh tại chòm sao Telescopium. Thực tế, chấm nhỏ này là hai ngôi sao bay thành cặp, kèm với một hố đen gần Trái Đất nhất từng được phát hiện. Hố đen cách chúng ta 1.011 năm ánh sáng, nằm trong hệ sao HR 6819, có khối lượng gấp 4 lần Mặt Trời và nằm cách hố đen gần nhất 2.500 năm ánh sáng.

So với quãng đường con người nhỏ bé có thể đi, thì 1.000 năm ánh sáng xa vời vợi. Thế nhưng, trong một mô hình với khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời chỉ bằng bề dày của một sợi tóc, thì hệ sao HR 6819 chỉ cách ta khoảng 6,5 km thôi. Khi so sánh lấy sự rộng lớn của thiên hà ta đang sống (có bề rộng khoảng 100.000 năm ánh sáng), thì HR 6819 khá gần; bên cạnh đó, nó còn là minh chứng cho thấy hố đen rải rác khắp nơi trong Dải Ngân hà.

'Nếu ta phát hiện ra một [hố đen] gần tới vậy, và ta tự giả định vị trí của ta không có gì đặc biệt, thì ắt hố đen phải tồn tại khắp nơi', Thomas Rivinius, nhà thiên văn học công tác tại Đài thiên Văn Nam Âu (ESO) và cũng là tác giả chính của nghiên cứu mới, phát biểu.

Hố đen song hành cùng sao

Đã từ lâu, các nhà nghiên cứu ước tính Dải Ngân hà là mái nhà của hàng trăm triệu hố đen, nhưng quá trình xác định sự hiện diện của hố đen không dễ dàng gì. Trong thiên hà ta đang sống, các nhà khoa học cũng đã thấy vài hố đen đang 'ăn' những đám mây khí gas gần nó; khí gas bay gần vùng chân trời sự kiện - rìa của hố đen phát ra bức xạ, cho phép các thiết bị thiên văn phát hiện được hố đen trong khoảng không gian.

Tuy nhiên phần lớn hố đen trong Dải Ngân hà vô hình, ta chỉ có thể phát hiện ra chúng thông qua việc quan sát hiệu ứng của lực hấp dẫn ở những thiên thể xung quanh hố đen.

Nhóm các nhà thiên văn nghiên cứu HR 6819 không chủ đích đi tìm hố đen, mà họ đang nghiên cứu một cặp sao kỳ lạ quay quanh nhau.

Ngôi sao ngoài là một phần của một bộ sao Be - tức là một tập hợp không đồng nhất của các ngôi sao có quang phổ loại B và phun ra khí gas - lớn hơn Mặt Trời vài lần và cháy dữ dội hơn. Đo tốc độ quay quanh trục của ngôi sao lớn tại đường xích đạo, ta thấy vận tốc quay đạt tới 480 km/s. 'Nó xoay nhanh đến mức vật chất của ngôi sao gần như bay văng khỏi bề mặt', giáo sư Rivinius nói.

Hồi 2004, đợt quan sát HR 6819 kéo dài 4 tháng chỉ ra rằng hệ sao này không đơn thuần là một hệ sao đôi. Ngôi sao nằm trong dường như đang quay quanh một thiên thể không rõ, cứ khoảng 40,3 ngày thì xong một vòng; trong khi đó, ngôi sao ngoài quay quanh quỹ đạo của cả ngôi sao trong và vật thể kỳ lạ ở một khoảng cách lớn.

Nghệ sĩ làm việc với ESO để vẽ minh họa đường bay của ba vật thể, một cặp sao và một hố đen, tại hệ sao HR 6819. Màu sáng tượng trưng cho sao, màu đỏ tượng trưng cho hố đen.

Năm 2009, nhà nghiên cứu Stan Štefl công tác tại ESO dẫn đầu một nghiên cứu mới nhằm theo dõi HR 6819 kỹ hơn, sau khi nhận thấy dấu vết của một hố đen Vũ trụ. Nhưng đáng buồn, giáo sư Štefl đã qua đời trong một tai nạn giao thông năm 2014, công việc nghiên cứu phải hoãn lại.

Tháng 11/2019, nhà nghiên cứu Rivinius, chuyên gia sao Be và cộng sự lâu năm của giáo sư Štefl, tìm thấy lý do mới để một lần nữa nghiên cứu HR 6819. Một nhóm các nhà thiên văn đăng tải nghiên cứu về hệ sao có tên LB-1, sở hữu một hố đen có khối lượng lớn hơn Mặt Trời 70 lần.

Nghiên cứu ngay lập tức bị đặt lên bàn cân, bởi lẽ các nhà vật lý học hiểu rõ cách thức hình thành hố đen từ các vật chất sao - xuất hiện khi một ngôi sao nổ siêu tân tinh, rằng một hố đen lớn như vậy không tồn tại trên lý thuyết. Khi một ngôi sao có khả năng tạo ra hố đen kích cỡ lớn đến vậy mà chết, chúng sẽ nổ mạnh đến mức vật chất hình thành sao không thể tự sập xuống thành hố đen.

Tuy nhiên, đội ngũ của giáo sư Rivinius nhận thấy dữ liệu của LB-1 có nhiều điểm tương đồng với HR 6819. Họ cố gắng xác định vật thể bí ẩn vốn lơ lửng trong HR 6819 và dựa trên quỹ đạo ngôi sao phía trong và độ sáng của nó, các nhà khoa học phát hiện ra rằng khối lượng của vật thể bí ẩn phải lớn hơn Mặt Trời của ta 4,2 lần, tức là tương đương với những hố đen khác trong Dải Ngân hà mà ta biết tới.

Tưởng như tàng hình nhưng không phải

Nếu vật thể này có kích cỡ gấp 4 lần ngôi sao trung tâm Hệ của chúng ta, ắt nó không phải là sao; theo lời Dietrich Baade, nhà khoa học danh dự của ESO và cũng là đồng tác giả nghiên cứu mới về HR 6819, sao có kích cỡ như vậy dễ thấy vô cùng. Bên cạnh đó, nó cũng quá lớn để có thể là một ngôi sao neutron.

Loại trừ mọi khả năng, các nhà khoa học chỉ còn một khái niệm để lý giải đặc tính vật thể kỳ lạ: nó là một hố đen.

Thế nhưng, mọi nghiên cứu về các hệ sao tương tự HR 6819 đều có một số điểm chưa được lý giải rõ ràng, thậm chí là sai lệch. Khoảng cách giữa hai ngôi sao trong cặp bay tại HR 6819 quá gần để kính viễn vọng quang học có thể theo dõi, ta chỉ có thể phân biệt chúng thông qua các phổ ánh sáng mà hai sao phát ra.

Ở một số trường hợp, ngôi sao nhiều tuổi hơn có thể mang dáng vẻ bề ngoài của ngôi sao trẻ và lớn hơn. Nếu ngôi sao trong của hệ HR 6819 là một 'kẻ đánh cắp hình hài' như vậy, khối lượng hố đen bay cùng cặp sao này mới tính được sẽ là sai.

Trong nghiên cứu tiếp theo, được dẫn dắt bởi đồng tác giả nghiên cứu mới là Petr Hadrava, sẽ cố gắng phân tách ánh sáng phát ra từ hệ HR 6819, phân biệt rõ hai ngôi sao. Kính viễn vọng Gaia, công cụ đang vẽ bản đồ Dải Ngân hà với độ chính xác chưa từng có, sẽ giúp ta 'điều tra' rõ ràng bí ẩn trong hệ sao HR 6819. Bởi hệ sao này khá gần, các nhà thiên văn học có thể xác định chính xác vị trí hai ngôi sao.

'Thông thường, khi có một ngôi sao bay gần hố đen, ta không thể phát hiện ra chuyển động của sao', đồng tác giả nghiên cứu Marianne Heida nói. 'Nhưng hệ sao này ở khá gần, ta sẽ quan sát được nó và tính toán khối lượng hố đen được dễ dàng hơn, nếu như các dữ liệu ăn khớp với nhau'.

Các nhà nghiên cứu vừa quan sát hệ sao HR 6819 vừa tưởng nhớ tới giáo sư Stan Štefl, người có công khám phá ra hố đen trước khi ông đột ngột qua đời. 'Stan cẩn thận lắm. Nếu ở đây, anh ấy sẽ nhìn tôi mà hỏi rằng: Có chắc không?', giáo sư Rivinius mỉm cười nhận định.