Tia plasma của lỗ đen bật lên ở mức 2% lượng thức ăn tối đa, bất kể kích thước

Một điều gì đó bên trong lỗ đen bắt đầu hoạt động khi tốc độ nuốt vật chất giảm xuống đúng 2% mức tối đa. Ở chính xác tỷ lệ đó — giống hệt nhau dù lỗ đen có khối lượng gấp mười lần Mặt Trời hay nặng hơn một tỷ lần — một tia plasma bùng lên và bắt đầu tăng tốc về phía tốc độ ánh sáng.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn đã quan sát những tia plasma này xé toạc các thiên hà mà không hiểu điều gì đã phóng chúng. Các tia plasma này là một trong những hiện tượng năng lượng nhất trong vũ trụ, kéo dài hàng triệu năm ánh sáng và mang đủ năng lượng để định hình lại các đám mây khí nơi các ngôi sao mới hình thành. Cơ chế kích hoạt vẫn chưa được biết đến. Một nghiên cứu trên tạp chí Nature Astronomy, phân tích hai mươi sự kiện sao bị xé toạc và nuốt chửng bởi lỗ đen, đã tìm ra điều đó.

Câu trả lời là 2% giới hạn Eddington — tốc độ nuốt lý thuyết tại đó áp suất bức xạ hướng ra ngoài của lỗ đen cân bằng chính xác với lực hấp dẫn hướng vào trong. Khi tốc độ bồi tụ giảm xuống dưới ngưỡng đó, tia plasma bắn ra. Mọi lúc. Ở mọi quy mô.

Bài viết nên đọcCác điểm đỏ nhỏ của JWST là hố đen đang nuốt vật chất gấp 10 lần giới hạn

Cách họ tìm ra cơ chế kích hoạt

Tiến sĩ Adelle Goodwin tại Trung tâm Nghiên cứu Thiên văn Vô tuyến Quốc tế của Đại học Curtin và Tiến sĩ Andrew Mummery tại Viện Nghiên cứu Cao cấp Princeton đã dành nhiều năm thu thập các quan sát về các sự kiện gián đoạn thủy triều — những biến cố hiếm gặp và dữ dội khi một ngôi sao đi quá gần một lỗ đen siêu khối lượng và bị xé toạc bởi lực thủy triều hấp dẫn. Sự kiện này nén lại những gì thường là hàng triệu năm nuốt vật chất của lỗ đen thành một đợt bùng nổ kéo dài từ vài tháng đến vài năm.

Sự nén này chính là điều khiến các sự kiện gián đoạn thủy triều trở thành một phòng thí nghiệm chính xác. Thay vì chờ đợi một giai đoạn nuốt vật chất bình thường trong một nhân thiên hà hoạt động — có thể kéo dài hàng triệu năm — các nhà nghiên cứu có thể quan sát toàn bộ chu kỳ bồi tụ từ đầu đến cuối. Nhóm đã thu thập các quan sát quang học, tử ngoại, tia X và vô tuyến từ các kính thiên văn trên bốn lục địa và trong không gian, theo dõi tốc độ nuốt khi mỗi lỗ đen tiêu thụ ngôi sao bị xé toạc.

Trong số hai mươi sự kiện trong mẫu của họ, mười sự kiện có đủ dữ liệu chất lượng để đo tốc độ bồi tụ tại thời điểm tia plasma xuất hiện. Trong mỗi trường hợp, phép đo đều đạt hoặc rất gần 2% giới hạn Eddington. Các lỗ đen trải dài trên mười hai bậc độ lớn về khối lượng — từ vài khối lượng sao đến hàng trăm triệu khối lượng Mặt Trời — nhưng ngưỡng này vẫn giữ nguyên trong mọi trường hợp.

Quy tắc 2% và giới hạn Eddington

Giới hạn Eddington, được đặt theo tên nhà vật lý thiên văn người Anh Arthur Eddington, mô tả tốc độ nuốt tại đó áp suất bức xạ lên vật chất rơi vào cân bằng chính xác với lực hấp dẫn. Trên tốc độ Eddington, bức xạ phát ra sẽ thổi bay nguồn nhiên liệu; dưới nó, vật chất rơi vào tự do hơn. Đối với các lỗ đen bồi tụ ở tốc độ rất cao, vật lý bị chi phối bởi bức xạ; ở tốc độ thấp, hình dạng của đĩa bồi tụ tự nó thay đổi.

Con số 2% nằm trong vùng được gọi là trạng thái cứng, nơi đĩa bồi tụ chuyển từ cấu trúc mỏng về mặt hình học, dày về mặt quang học sang một dạng phồng hơn, nóng hơn và kém hiệu quả hơn. Sự chuyển đổi cấu trúc này đã được biết đến từ các nghiên cứu về các hệ nhị phân tia X — những hệ nhỏ nơi một lỗ đen khối lượng sao nuốt vật chất từ một ngôi sao đồng hành — nhưng liệu nó có kích hoạt tia plasma theo cùng cách ở các hệ siêu khối lượng hay không vẫn chưa được kiểm chứng.

Kết quả mới nói là có. Cơ chế phóng tia plasma không phản ứng với khối lượng tuyệt đối của lỗ đen. Nó chỉ phản ứng với tỷ lệ giữa tốc độ bồi tụ và giới hạn Eddington. Một lỗ đen khối lượng sao nuốt vật chất ở 2% tốc độ Eddington của nó và một lỗ đen siêu khối lượng làm điều tương tự tạo ra tia plasma qua cùng một vật lý, cách nhau mười hai bậc độ lớn về quy mô vật lý. Tính phổ quát này gợi ý rằng vật lý tia plasma về cơ bản là bất biến theo tỷ lệ — được chi phối bởi các tỷ lệ không thứ nguyên thay vì các đại lượng tuyệt đối.

Điều nó không giải thích

Mười sự kiện là một mẫu thống kê nhỏ, và các nhà nghiên cứu thận trọng về giới hạn của kết luận. Tốc độ bồi tụ trong một sự kiện gián đoạn thủy triều không thể đo trực tiếp — nó được ước tính từ độ sáng quang học, tử ngoại và tia X của sự kiện, điều này tạo ra sự không chắc chắn. Việc chuyển đổi từ độ sáng quan sát được sang tốc độ nuốt thực tế phụ thuộc vào các mô hình phát xạ đĩa vẫn còn đang tranh cãi.

Một cách cơ bản hơn, biết khi nào tia plasma bắn ra không giống với biết bằng cách nào. Ngưỡng 2% xác định điểm kích hoạt một cách chính xác, nhưng cơ chế vật lý chuyển đổi vật chất rơi vào thành một tia plasma tương đối tính tại chính xác thời điểm đó vẫn là một bài toán mở. Các ứng viên hàng đầu liên quan đến cấu trúc từ trường của đĩa và sự quay của lỗ đen — cơ chế Blandford–Znajek — nhưng dữ liệu mới không thể phân biệt giữa các mô hình cạnh tranh.

Cũng có câu hỏi về những tia plasma không bắn ra. Không phải mọi sự kiện gián đoạn thủy triều đều tạo ra tia plasma ngay cả khi tốc độ bồi tụ vượt qua ngưỡng 2%. Hình dạng của trục quay của lỗ đen và cấu hình từ thông gần chân trời sự kiện có thể quyết định liệu một tia plasma có thực sự hình thành hay không, hoặc liệu năng lượng có bị tiêu tán bằng các cách khác.

Khoảnh khắc ở Madrid

Bước đột phá không đến từ một máy tính ở Úc hay New Jersey. Nó xảy ra tại một quán bar gần địa điểm hội nghị ở Madrid, nơi Goodwin và Mummery so sánh ghi chú của họ bên ly nước. Họ đã phân tích dữ liệu gián đoạn thủy triều một cách độc lập và nhận ra, khi nhìn vào các con số cùng nhau, rằng ngưỡng khớp nhau trong mọi sự kiện trong cả hai mẫu của họ.

Nhóm sau đó quay lại và xác nhận phát hiện một cách có hệ thống với toàn bộ tập dữ liệu. Mummery mô tả kết quả: “Những lỗ đen này cách nhau bởi sự khác biệt lớn về khối lượng, nhưng chúng dường như bật tia plasma ở cùng một điểm trong quá trình nuốt vật chất của chúng.”

Kết quả đặt ra một ràng buộc mới chặt chẽ đối với các lý thuyết về sự hình thành tia plasma tương đối tính. Các mô hình lý thuyết không thể tái tạo một cơ chế kích hoạt 2% phổ quát trên mọi khối lượng lỗ đen giờ đây mâu thuẫn với dữ liệu.

Các câu hỏi thường gặp về tia plasma của lỗ đen

Sự kiện gián đoạn thủy triều là gì?

Sự kiện gián đoạn thủy triều xảy ra khi một ngôi sao đi qua đủ gần một lỗ đen đến mức lực thủy triều hấp dẫn — mạnh hơn ở phía gần ngôi sao so với phía xa — vượt quá lực tự hấp dẫn của chính ngôi sao và xé toạc nó. Vật chất sao bị xé toạc tạo thành một đĩa bồi tụ và bị tiêu thụ trong vài tháng đến vài năm. Những sự kiện này có thể được phát hiện trên khắp vũ trụ quan sát được dưới dạng những tia sáng bùng nổ tạm thời.

Giới hạn Eddington là gì?

Giới hạn Eddington là tốc độ nuốt tại đó áp suất bức xạ hướng ra ngoài từ vật chất bồi tụ cân bằng chính xác với lực hấp dẫn hướng vào trong. Đối với một lỗ đen mười khối lượng Mặt Trời, tốc độ Eddington xấp xỉ một phần trăm khối lượng Mặt Trời mỗi năm; đối với một lỗ đen siêu khối lượng một tỷ khối lượng Mặt Trời, nó xấp xỉ mười khối lượng Mặt Trời mỗi năm. Ngưỡng 2% trong nghiên cứu này là 2% của bất kỳ tốc độ Eddington nào áp dụng cho một lỗ đen cụ thể.

Tại sao ngưỡng tia plasma lại quan trọng đối với sự tiến hóa thiên hà?

Tia plasma từ các lỗ đen siêu khối lượng là một trong những cơ chế chính mà qua đó các lỗ đen điều chỉnh sự hình thành sao trong các thiên hà chủ của chúng. Khi một tia plasma bắn ra, nó truyền năng lượng vào khí xung quanh, làm nóng nó và ngăn chặn sự hình thành sao mới. Hiểu chính xác khi nào tia plasma bật lên — và điều gì kiểm soát công tắc đó — là điều cần thiết cho các mô hình chính xác về cách các thiên hà tiến hóa theo thời gian vũ trụ. Quy tắc 2% mang lại cho các nhà lý thuyết một ràng buộc chính xác, dựa trên quan sát để làm việc.

Các kính thiên văn trong tương lai sẽ kiểm tra điều này như thế nào?

Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman của NASA được thiết kế một phần để phát hiện hàng nghìn sự kiện gián đoạn thủy triều trong khảo sát trường rộng của nó, mở rộng đáng kể mẫu hiện tại gồm mười sự kiện đáng tin cậy. Nhóm nghiên cứu dự định xác định liệu sự quay của lỗ đen, loại thiên hà chủ, hay cấu hình từ trường tại thời điểm gián đoạn có thay đổi ngưỡng này hay không — hoặc liệu 2% có thực sự phổ quát trên toàn bộ quần thể lỗ đen hay không.

Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman của NASA, được phóng vào cuối tháng 8 năm 2026 và hiện mang đủ nhiên liệu cho ít nhất 22 năm hoạt động, dự kiến sẽ phát hiện hàng nghìn sự kiện gián đoạn thủy triều trong những năm đầu khảo sát trường rộng — mở rộng đáng kể mẫu hiện tại gồm mười sự kiện đáng tin cậy. Liệu 2% có chứng minh là phổ quát trên quần thể rộng lớn hơn đó, hay sụp đổ đối với các lỗ đen ở các thái cực về khối lượng và sự quay, sẽ quyết định liệu con số này có đi vào sách giáo khoa như một hằng số cơ bản của vật lý tia plasma hay chỉ là một phép xấp xỉ áp dụng cho một lớp sự kiện nuốt vật chất cụ thể.

Bài báo do Goodwin và Mummery dẫn đầu, với các đồng nghiên cứu đến từ các đài quan sát ở Úc, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Nam Phi và Vương quốc Anh.

Tài liệu tham khảo: Goodwin, Mummery và cộng sự, “A universal critical accretion rate for black hole jet formation,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02951-1

Thẻ: black holes, Nature Astronomy, Curtin University, Eddington limit, relativistic jets, tidal disruption event

Nội dung tương tự

Hố đen J1007+3540 thức giấc sau 100 triệu năm, phun tia khổng lồ

Vũ trụ vẫn đang tăng tốc — hai nhà khoa học Nobel phải chứng minh lại điều đó

Webb đo được một lỗ đen 13 tỷ năm tuổi — nó hình thành trước thiên hà của mình

Gió từ hố đen của quasar H1821+643 mạnh gấp 100 lần dự đoán của các mô hình

JWST phát hiện vật thể sáng gấp 100 tỷ lần một ngôi sao — nhưng không phải sao

Kính viễn vọng Roman phóng thứ Bảy — khảo sát 1 tỷ thiên hà, giải mã năng lượng tối