Khi thảo luận về những vật thể đáng sợ nhất trong vũ trụ, nhiều người có thể nghĩ đến lỗ đen đầu tiên. Lỗ đen là những vật thể cực đoan có lực hấp dẫn mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được.
Tuy nhiên, có thể bạn chưa biết rằng trong vũ trụ có một thực thể còn đáng sợ, mạnh mẽ và bí ẩn hơn lỗ đen, đó chính là chuẩn tinh.
Chuẩn tinh (quasar) là một lớp gồm các hạt nhân thiên hà đang hoạt động rất sáng, chứa một lỗ đen siêu lớn được bao quanh bởi một đĩa bồi tụ quay ở lõi. Vật chất trong các đĩa bồi tụ này bị thu hút bởi lực hấp dẫn khổng lồ của lỗ đen, tạo ra một môi trường cực kỳ nén và nóng. Trong quá trình này, vật chất được nung nóng đến nhiệt độ cực cao, giải phóng lượng năng lượng khổng lồ khiến chuẩn tinh trở thành một trong những vật thể sáng nhất trong vũ trụ.
Chuẩn tinh là thiên thể cực xa và cực sáng, với dịch chuyển đỏ rất lớn đặc trưng. Ảnh: Zhihu
Quá trình hình thành các quasar chưa được hiểu đầy đủ, nhưng một số lý thuyết cho rằng chúng có thể được tạo ra bởi sự sụp đổ của các đám mây nguyên thủy hoặc sự hợp nhất giữa các thiên hà.
Những thiên thể này được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 1950. Vào thời điểm đó, con người chỉ có thể quan sát được ánh sáng mờ nhạt và giống như điểm của chúng trong dải ánh sáng khả kiến chứ không thể hiểu được bản chất của chúng.
Mãi đến năm 1963, nhà thiên văn học người Mỹ gốc Hà Lan Maarten Schmidt vô tình phát hiện ra hiện tượng dịch chuyển đỏ cực lớn khi quan sát quang phổ của quasar 3C-273, điều này cho thấy quasar là những vật thể chuyển động ở rất xa và có tốc độ cao. Kể từ đó, người ta bắt đầu tiến hành những nghiên cứu và quan sát chuyên sâu hơn về các chuẩn tinh, đồng thời phát hiện ra nhiều loại và đặc điểm khác nhau của chuẩn tinh. Vậy tại sao chuẩn tinh lại đáng sợ hơn lỗ đen?
Trong phần ánh sáng biểu kiến, chuẩn tinh trông giống một ngôi sao bình thường, tức nguồn phát sáng điểm. Thực tế, đó là ánh sáng phát ra từ các quầng (halo) vật chất đặc, nằm quanh vùng nhân của các thiên hà hoạt động (thiên hà trẻ), thường là các hố đen siêu lớn. Ảnh: Grunge
Kích thước của lỗ đen được xác định bởi khối lượng của chúng, thường được đo bằng bán kính chân trời sự kiện. Bán kính chân trời sự kiện là ranh giới của một lỗ đen mà vật chất và ánh sáng không thể thoát ra ngoài. Theo thuyết tương đối rộng, chúng ta có thể tính được bán kính chân trời sự kiện của các lỗ đen có khối lượng khác nhau.
Sử dụng khối lượng của Mặt Trời làm tham chiếu, bán kính chân trời sự kiện đối với một lỗ đen có khối lượng bằng Mặt Trời là khoảng 3 km. Lỗ đen ở trung tâm Dải Ngân hà có khối lượng gấp khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt Trời nên bán kính chân trời sự kiện của nó là khoảng 12 triệu km.
Tuy nhiên, các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm các chuẩn tinh vượt xa những con số này. Siêu lỗ đen lớn nhất được biết đến hiện nay nằm trong chuẩn tinh TON-618. Khối lượng của nó gấp khoảng 66 tỷ lần khối lượng Mặt Trời và bán kính chân trời sự kiện của nó là khoảng 190 tỷ km. Nếu lỗ đen này được đặt ở trung tâm Hệ Mặt Trời, bán kính chân trời sự kiện của nó sẽ bao phủ phần bên ngoài của vành đai Kuiper.
Quasar đầu tiên, với ký hiệu 3C 273 được nhà thiên văn người Hoa Kỳ gốc Hà Lan Maarten Schmidt phát hiện năm 1963 trong chòm sao Thất Nữ, từ đài thiên văn Palomar. Đến năm 2005 đã có hơn 100.000 quasar được phát hiện. Ảnh: USGS
Bản thân lỗ đen không phát ra ánh sáng nhưng khi lỗ đen bồi tụ vật chất xung quanh, nó sẽ tạo ra bức xạ cực mạnh. Những bức xạ này có thể được quan sát thấy ở nhiều dải phổ điện từ khác nhau, bao gồm sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và tia gamma.
Việc quan sát những bức xạ này rất quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về bản chất của các lỗ đen và hoạt động của vật chất xung quanh chúng. Tuy nhiên, bất chấp bức xạ cực kỳ mạnh mẽ của chúng, ngay cả những lỗ đen sáng nhất cũng không thể sánh được với các chuẩn tinh.
Chuẩn tinh là các hạt nhân thiên hà đang hoạt động được điều khiển bởi các lỗ đen siêu lớn. Chúng có tốc độ bồi tụ cao hơn và các đĩa bồi tụ lớn hơn các lỗ đen thông thường. Khi khí trong đĩa bồi tụ rơi về phía lỗ đen, nó giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, tạo thành bức xạ và tia cực mạnh. Công suất bức xạ của chuẩn tinh rất lớn, độ sáng của chuẩn tinh mạnh nhất vượt quá 10^41 watt, gấp hàng nghìn lần độ sáng của các thiên hà thông thường. Chuẩn tinh thậm chí có thể sáng hơn các cụm thiên hà nơi chúng cư trú, cho phép chúng vẫn được quan sát từ khoảng cách rất xa.
Chuẩn tinh là những thiên thể đáng sợ hơn lỗ đen, là những thiên thể được hình thành trong giai đoạn đầu của vũ trụ, có tác động quan trọng đến cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ. Ảnh: Zhihu
Mặc dù lỗ đen có thể nuốt chửng vật chất xung quanh nhưng chúng không hấp thụ mọi thứ một cách vô hạn. Khi vật chất bị hút vào lỗ đen và bắt đầu tích tụ, một đĩa bồi tụ có nhiệt độ cao và áp suất cao sẽ được hình thành. Đĩa bồi tụ này sẽ giải phóng năng lượng rất lớn trong quá trình bồi tụ, tạo thành áp suất bức xạ. Áp suất bức xạ này được tạo ra do vật chất trong đĩa bồi tụ chịu ma sát dữ dội dưới tác động của trọng lực rất lớn, dẫn đến bức xạ nhiệt mạnh. Áp suất bức xạ này có thể bù lại lực hấp dẫn của lỗ đen ở một mức độ nhất định và hạn chế tốc độ tích tụ vật chất.
Đây được gọi là giới hạn cân bằng áp suất bức xạ và nó xác định độ sáng tối đa mà lỗ đen có thể đạt được. Tuy nhiên, các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm chuẩn tinh có thể vượt qua giới hạn này và đạt độ sáng vượt quá giới hạn Eddington.
Điều này là do các điều kiện vật lý ở trung tâm chuẩn tinh rất phức tạp. Ngoài sự tồn tại của các đĩa bồi tụ, còn có các yếu tố như từ trường mạnh, nhiễu loạn và tia nước ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển vật chất và năng lượng. Những yếu tố phức tạp này dẫn đến sự hình thành cơ chế đa cấp, đa chiều và đa dải trong trung tâm chuẩn tinh.
Trong hệ thống phức tạp này, một phần vật liệu được đẩy ra với tốc độ cực cao, tạo thành bức xạ và sóng xung kích cường độ cao. Những vật liệu bị đẩy ra này có thể lấy đi một phần năng lượng và động lượng góc, do đó làm giảm áp suất bức xạ của đĩa bồi tụ. Hiện tượng này cho phép nhiều vật chất được bồi tụ vào lỗ đen hơn.
Chuẩn tinh cũng là một công cụ quan trọng để khám phá lịch sử và các định luật vật lý của vũ trụ. Bằng cách hiểu các quasar, chúng ta không chỉ có thể hiểu sâu hơn về vũ trụ mà còn cho phép chúng ta suy nghĩ nhiều hơn về bản thân. Ảnh: Zhihu
Lỗ đen là những thiên thể cực đoan trong vũ trụ và các đặc tính cũng như hành vi của chúng có thể được mô tả và dự đoán bằng các lý thuyết vật lý hiện có. Theo thuyết tương đối rộng, chúng ta có thể tính toán được kích thước, hình dạng, nhiệt độ, entropy và các đặc tính bức xạ Hawking của lỗ đen.
Theo cơ học lượng tử, chúng ta có thể khám phá các hiện tượng như trạng thái lượng tử của lỗ đen, nghịch lý thông tin và quá trình bay hơi. Theo nhiệt động lực học, chúng ta có thể phân tích các định luật nhiệt động lực học, cân bằng nhiệt động lực học, chuyển pha và các quá trình khác của lỗ đen.
Chuẩn tinh thì khác, vẫn còn nhiều khía cạnh chưa biết và không chắc chắn về đặc tính và hành vi của chúng, đòi hỏi chúng ta phải quan sát và khám phá liên tục. Ví dụ, chúng ta vẫn không biết các quasar hình thành và phát triển như thế nào, chúng ảnh hưởng đến cấu trúc và hóa học của vũ trụ như thế nào, chúng tương tác với vật chất và năng lượng xung quanh như thế nào cũng như cách chúng tạo ra bức xạ và tia cực mạnh.
Vì vậy, trong khi các đặc tính và hành vi của lỗ đen có thể được mô tả tương đối rõ ràng bằng lý thuyết vật lý, thì vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp về các đặc tính và hành vi của quasar. Đối với các chuẩn tinh, chúng ta cần quan sát và nghiên cứu liên tục để làm sáng tỏ cơ chế hình thành và tiến hóa của chúng cũng như tác động của chúng đến vũ trụ.
