Sagittarius A*

Sagittarius A* là hố đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm Dải Ngân Hà — điểm tĩnh mà quanh đó toàn bộ thiên hà, bao gồm cả Mặt Trời của chúng ta, chậm rãi xoay quanh. Nó chứa khối lượng gấp khoảng 4,3 triệu lần Mặt Trời, nhưng tất cả đều bị nén vào một vùng không rộng hơn quỹ đạo Sao Thủy, cách chúng ta khoảng 27.000 năm ánh sáng theo hướng chòm sao Nhân Mã.

Cái tên của nó (đọc là "Sagittarius A-sao") không giống bất kỳ hành tinh nào: dấu hoa thị đánh dấu nguồn phát sóng vô tuyến nhỏ gọn, rực rỡ nằm sâu bên trong phức hợp Sagittarius A lớn hơn. Năm 2022, nó trở thành hố đen thứ hai từng được chụp ảnh trực tiếp, sánh cùng gã khổng lồ trong thiên hà M87 — nhưng hố đen này lại nằm ngay trong sân sau vũ trụ của chúng ta.

Không phải một nơi chốn, mà là một ranh giới

Hố đen không có bề mặt. Cái mà chúng ta gọi là "kích thước" của nó chính là chân trời sự kiện — ranh giới một chiều mà ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra. Với khối lượng bằng 4,3 triệu Mặt Trời, chân trời đó có bán kính khoảng 12,7 triệu km, tương đương khoảng mười tám lần chiều rộng của Mặt Trời và đủ nhỏ để nằm gọn bên trong quỹ đạo Sao Thủy. Mọi thứ bên trong đều bị che giấu khỏi chúng ta vĩnh viễn.

Sagittarius A* là một hố đen đang quay, hay còn gọi là hố đen Kerr. Việc mô hình hóa dòng vật chất bồi tụ và các đợt bùng phát tia X của nó cho thấy nó có thể quay khá nhanh — các ước tính tập trung trong khoảng 0,5 đến 0,9 trên mức tối đa lý thuyết là 1 — nghĩa là nó kéo theo cả kết cấu không gian quay cùng nó, dù con số chính xác vẫn còn chưa chắc chắn. Nó không có "nhiệt độ" theo nghĩa thông thường, nhưng lớp plasma mỏng xoáy vào bên trong nó bị nung nóng đến khoảng mười tỷ độ, phát ra ánh sáng mà nhờ đó chúng ta mới có thể nhìn thấy nó.

Bức ảnh cần cả một hành tinh để chụp

Vào ngày 12 tháng 5 năm 2022, hợp tác Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện đã công bố bức ảnh trực tiếp đầu tiên về Sagittarius A*: một vòng khí siêu nóng màu cam rực rỡ bao quanh một bóng tối trung tâm. Cái bóng đó chỉ trải dài 51,8 phần triệu giây cung trên bầu trời — nhóm hợp tác ví thử thách này như việc phát hiện một chiếc bánh donut trên bề mặt Mặt Trăng.

Không một chiếc đĩa ăng-ten đơn lẻ nào có thể phân giải được thứ nhỏ bé như vậy. Thay vào đó, tám đài quan sát vô tuyến rải rác từ sa mạc Atacama của Chile đến Tây Ban Nha, Hawai'i, Arizona, Mexico và Nam Cực đã được liên kết thành một kính viễn vọng ảo có kích thước bằng cả Trái Đất, tất cả đều hướng về trung tâm thiên hà trong tháng 4 năm 2017. Khí quanh Sgr A* di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và hoàn thành một vòng quỹ đạo chỉ trong vài phút, nên hình dạng của nó nhấp nháy ngay cả khi dữ liệu đang được thu thập — một trong những lý do khiến việc phân tích mất thêm năm năm so với bức ảnh M87 trước đó.

Những ngôi sao đã tiết lộ nó

Từ rất lâu trước bất kỳ bức ảnh nào, hố đen đã tự bộc lộ mình qua lực hấp dẫn. Trong suốt nhiều thập kỷ, hai nhóm nghiên cứu — do Reinhard Genzel ở Đức và Andrea Ghez ở Hoa Kỳ dẫn đầu — đã dùng những kính viễn vọng lớn nhất thế giới để theo dõi các ngôi sao riêng lẻ lao vun vút quanh một điểm vô hình tại trung tâm thiên hà. Một ngôi sao, được đặt danh mục là S2, chạy vòng quanh Sgr A* trên quỹ đạo chặt 16 năm, và vào tháng 5 năm 2018 đã lướt qua trong khoảng cách chỉ 18 tỷ km với tốc độ gần bằng ba phần trăm tốc độ ánh sáng.

Ánh sáng của ngôi sao đã bị kéo giãn sang bước sóng đỏ hơn khi nó thoát ra khỏi trường hấp dẫn của hố đen — một dịch chuyển đỏ hấp dẫn đúng như thuyết tương đối rộng của Einstein tiên đoán. Những quỹ đạo sao kéo dài hàng thập kỷ này đã xác định chính xác khối lượng với sai số chỉ trong một phần nhỏ của phần trăm và mang lại cho Genzel và Ghez một phần Giải Nobel Vật lý năm 2020, cùng với Roger Penrose.

Một con quái vật im ắng đến bất ngờ

Xét về khối lượng của nó, Sagittarius A* điềm tĩnh đến đáng ngạc nhiên. Nó không xé toạc các ngôi sao hay phát ra bức xạ cỡ chuẩn tinh; nó chỉ nuốt khoảng một phần trăm nghìn khối lượng Mặt Trời vật chất mỗi năm, và phần lớn ngay cả lượng đó cũng bị hất trở lại trước khi kịp rơi vào trong. So với những hố đen đang tích cực ăn vật chất ở các thiên hà xa xôi, hố đen của chúng ta gần như đang ngủ yên.

Tuy nhiên nó không hoàn toàn im lặng. Các kính viễn vọng không gian như Chandra và NuSTAR của NASA thường xuyên bắt được nó bùng phát tia X — những đợt sáng lên ngắn ngủi được cho là đến từ hoạt động từ trường trong luồng khí đang rơi vào. Cũng có những dấu hiệu trong các tiếng vọng ánh sáng cổ xưa cho thấy Sgr A* từng hoạt động mạnh hơn nhiều vào khoảng hai thế kỷ trước.

Từ tín hiệu vô tuyến nhỏ đến neo giữ thiên hà

Sgr A* được phát hiện vào ngày 13 và 15 tháng 2 năm 1974 bởi Bruce Balick và Robert Brown, những người đã phát hiện một nguồn phát sóng vô tuyến nhỏ gọn khác thường tại trung tâm thiên hà bằng một máy giao thoa kế liên kết vô tuyến tại Green Bank. Brown sau đó đã đặt ra cái tên này — thêm dấu hoa thị để báo hiệu rằng nguồn phát này "kích thích", tương tự như ký hiệu dùng cho các nguyên tử ở trạng thái kích thích — và cái tên đó đã trở thành chuẩn.

Điểm phát sóng vô tuyến mờ nhạt đó nay được hiểu là điểm neo hấp dẫn của Dải Ngân Hà: một trung tâm mà quanh đó vài trăm tỷ ngôi sao quay quanh, trong đó có Mặt Trời của chúng ta, mất khoảng 230 triệu năm để hoàn thành một vòng.

Vì sao bạn không thể nhìn thấy nó

Không giống một hành tinh hay một sao chổi, Sagittarius A* không thể phát hiện bằng mắt thường. Nó nằm sau những đám mây bụi liên sao dày đặc chặn gần như hoàn toàn ánh sáng khả kiến, đó là lý do vì sao nó được tìm thấy qua sóng vô tuyến và ngày nay được nghiên cứu bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại và tia X thay vì dải quang học. Điều bạn có thể làm là nhìn về phía chòm sao Nhân Mã, thấp trên bầu trời mùa hè từ bán cầu bắc, và biết rằng những đám mây sao dày đặc nhất của Dải Ngân Hà ở đó che giấu, ngay tại tâm điểm của chúng, một cái bóng nặng bốn triệu lần khối lượng Mặt Trời mà phải cần một kính viễn vọng cỡ hành tinh mới chụp được.