Các nhà thiên văn phát hiện cặp lỗ đen siêu lớn ở Markarian 501

Các nhà thiên văn học đã xác định được bằng chứng trực tiếp về hai lỗ đen siêu lớn quay quanh nhau trong lõi thiên hà Markarian 501. Thiên hà này cách Trái đất khoảng 480 triệu năm ánh sáng. Phát hiện này đến từ việc phân tích chi tiết dữ liệu vô tuyến được thu thập trong hơn một thập kỷ. Dấu hiệu chính là sự hiện diện của dòng hạt tương đối thứ hai bên cạnh dòng hạt đã được biết đến. Nhóm quốc tế đã công bố kết quả trong một nghiên cứu được chấp nhận bởi Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.

Công trình được dẫn dắt bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Thiên văn vô tuyến Max Planck, ở Đức. Họ đã xử lý lại 83 tập hợp quan sát được thực hiện bằng Mảng đường cơ sở rất dài trong khoảng thời gian từ tháng 9 năm 2011 đến tháng 7 năm 2023. Các quan sát xảy ra ở tần số 43 gigahertz. Tần số này giúp có thể phân giải các cấu trúc rất gần với nhân thiên hà. So sánh với dữ liệu từ các tần số thấp hơn, chẳng hạn như 15 gigahertz và 8 gigahertz, đã củng cố các phát hiện.

Chi tiết quan sát vô tuyến

Dữ liệu cho thấy hai dòng tia riêng biệt phát ra từ cùng một hạt nhân. Máy bay phản lực chính, được gọi là Máy bay phản lực 1, hướng về Trái đất và đã được biết đến. Dòng phản lực thứ hai, được gọi là Phản lực 2, xuất hiện ở phía đối diện trong một số hình ảnh và sau đó uốn cong ngược chiều kim đồng hồ xung quanh hạt nhân. Cấu hình này đã được quan sát nhiều lần trong suốt 12 năm theo dõi. Các thành phần Jet 2 thay đổi vị trí theo thang tuần và tháng.

Trong một quan sát ngày 24 tháng 6 năm 2022, cấu trúc của Jet 2 đã hình thành một phần vòng cung xung quanh lõi chính. Các nhà nghiên cứu giải thích cung này là một phần vòng Einstein. Nó có thể được gây ra bởi thấu kính hấp dẫn của lỗ đen sơ cấp tác động lên sự phát xạ của tia từ lỗ đen thứ cấp. Độ phân giải góc của hình ảnh đạt tới một phần mười mili giây. Độ chính xác này là cần thiết để tách các cấu trúc.

Chu kỳ quỹ đạo ước tính cho chuyển động của Jet 2 quanh hạt nhân là khoảng 141 ngày trong hệ quy chiếu của thiên hà. Đường cong ánh sáng của hạt nhân có chu kỳ xấp xỉ 121 ngày. Ngoài ra còn có một chu kỳ dài hạn 7,4 năm, gắn liền với sự tuế sai của mặt phẳng quỹ đạo của hệ thống. Sự dịch chuyển có hệ thống giữa các tần số khác nhau cho thấy sự hiện diện của hai vật thể có khối lượng riêng biệt.

• Phản lực 2 xuất hiện ở bên cạnh phản lực và uốn cong ngược chiều kim đồng hồ trước khi tự căn chỉnh song song với Phản lực 1.
• Trong các quan sát tiếp theo, Jet 2 quay về phía nam và hòa vào các cấu trúc phản lực chính.
• Hệ thống hoàn chỉnh cho thấy sự trôi dần theo chiều kim đồng hồ qua các năm.
• Đã có một sự thoái lui tạm thời giữa năm 2016 và 2017, được gọi là sự đảo ngược.
• Tuế sai giải thích sự dao động của mặt phẳng quỹ đạo giống như một cái đỉnh lắc lư khi nó quay.
• Các lựa chọn thay thế như sự bất ổn Kelvin-Helmholtz không tái tạo sự dịch chuyển không đối xứng giữa các tần số.
• Mô hình nhị phân nổi lên như lời giải thích nhất quán nhất cho tập dữ liệu.

Dòng phản lực thứ hai được phát hiện lần đầu tiên trong một blazar—dấu hiệu của một cặp lỗ đen hiếm gặp!

Dòng phản lực thứ hai đã được phát hiện trong lõi của blazar Markarian 501 (Mrk)—bằng chứng hiếm hoi về sự tồn tại có thể có của một cặp lỗ đen siêu lớn ở gần nhau trên bờ vực…pic.twitter.com/kzPzYPsI3O

– Hố đen (@konstructivizm)Ngày 10 tháng 4 năm 2026

Đặc điểm của thiên hà Markarian 501

Markarian 501 là một blazar, một tiểu loại của nhân thiên hà đang hoạt động. Ở loại vật thể này, một trong các tia gần như hướng thẳng vào Trái đất. Sự liên kết này khuếch đại sự phát xạ được quan sát bởi các hiệu ứng Doppler tương đối tính. Thiên hà phát ra các tia năng lượng vô tuyến, tia X và tia gamma mạnh trong phạm vi TeV. Khoảng cách tương đối của chúng tạo điều kiện thuận lợi cho việc quan sát có độ phân giải cao trên thang phân tích cú pháp.

Kể từ những năm 1980, các nhà thiên văn học đã nhận thấy sự sai lệch trong cấu trúc vô tuyến của thiên hà. Những thay đổi xảy ra giữa các quy mô nhỏ, gần nhân và quy mô lớn hơn, tính bằng kiloparsec. Các mô hình trước đây đề xuất các tia xoắn ốc được giới hạn trong các hình nón hẹp hoặc tuế sai đơn giản. Không có lời giải thích nào trước đó giải thích đầy đủ cho những thay đổi đột ngột được quan sát thấy. Việc phát hiện trực tiếp hai tia đã giải quyết được một phần những bí ẩn đã tích lũy trong nhiều thập kỷ này.

Lỗ đen sơ cấp có khối lượng ước tính gấp hàng trăm triệu lần khối lượng Mặt trời. Lỗ đen thứ cấp tạo ra Phản lực 2 và quay quanh lỗ đen đầu tiên ở khoảng cách thay đổi từ 251 đến 542 đơn vị thiên văn, tùy thuộc vào tổng khối lượng giả định. Sự tách biệt này tương đương với hàng chục bán kính Schwarzschild. Toàn bộ vùng của hệ nhị phân nằm gọn trong một không gian nhỏ hơn đường kính quỹ đạo của Sao Diêm Vương quanh Mặt trời.

Ý nghĩa cho sự tiến hóa của lỗ đen siêu lớn

Các lỗ đen siêu lớn phát triển chủ yếu thông qua sự hợp nhất trong các vụ va chạm thiên hà. Các mô hình lý thuyết dự đoán rằng, sau khi các thiên hà hợp nhất, các lỗ đen trung tâm tạo thành một cặp liên kết hấp dẫn. Chúng bắt đầu quay quanh nhau. Việc phát hiện trong Markarian 501 đưa ra một trường hợp quan sát trực tiếp về pha trung gian này. Cho đến nay, bằng chứng tương tự chủ yếu dựa vào các suy luận gián tiếp hoặc mô hình động học.

Hệ thống có thể phát ra sóng hấp dẫn với tần số khoảng 8 lần 10 đến âm 8 hertz. Tần số này nằm trong cửa sổ phát hiện dự kiến ​​đối với mảng định thời xung. Mảng Kilômét Vuông, đang được xây dựng, có thể đóng góp cho các tìm kiếm trong tương lai ở chế độ tần số thấp này. Các quan sát dày đặc hơn với Mảng đường cơ sở rất dài hoặc Nhà thám hiểm lỗ đen trong tương lai có thể tinh chỉnh thêm hình dạng quỹ đạo.

Leia Tambem

Netflix công chiếu năm sản phẩm từ ngày 1 đến ngày 5 tháng 6 năm 2026

Vụ phun trào núi lửa Hunga Tonga vào năm 2022 đã làm sạch khí mê-tan thải vào khí quyển

Stephen Curry đứng thứ sáu trong số các vận động viên được trả lương cao nhất thế giới với 124,7 triệu USD

Các nhà nghiên cứu đã tính toán thời gian hợp nhất của hệ nhị phân. Nếu khối lượng có thể so sánh được thì hệ vẫn còn hàng tỷ năm nữa. Nếu tỉ số khối lượng rất nhỏ, như 0,001, thì thời gian giảm xuống còn hàng trăm năm. Mô hình hợp lý nhất cho thấy khối lượng tương tự nhau, cho thấy một hệ nhị phân tồn tại lâu dài, vẫn còn lâu mới đến sự hợp nhất cuối cùng. Một số báo cáo đề cập đến khả năng hợp nhất trong khoảng 100 năm, nhưng các tác giả nghiên cứu vẫn thận trọng về ước tính này.

Phân tích các lựa chọn thay thế và sự chặt chẽ về mặt phương pháp

Nhóm nghiên cứu đã xem xét các cách giải thích khác cho dữ liệu. Sự mất ổn định Kelvin-Helmholtz có thể tạo ra các cấu trúc xoắn ốc trong máy bay phản lực. Những cú sốc bên trong hoặc tải trọng khối không đồng đều cũng được xem xét. Cả hai giả thuyết này đều không giải thích được sự dịch chuyển có hệ thống giữa các tần số hoặc chuyển động quỹ đạo lặp đi lặp lại của Phản lực 2. Sự dịch chuyển hạt nhân do khả năng tự hấp thụ synchrotron đã bị loại trừ vì nó xảy ra sai hướng.

Phân tích sử dụng mô hình Gaussian độc lập cho mỗi kỷ nguyên trong số 83 kỷ nguyên. Không có sự áp đặt các giả thuyết trước đó. Phương pháp lập hồ sơ khả năng cho phép định lượng độ không đảm bảo trong các tham số. So sánh với dữ liệu độc lập từ các chương trình khác, chẳng hạn như MOJAVE ở tần số 15 gigahertz, đã củng cố cách giải thích. Việc xác nhận chéo này làm tăng độ tin cậy vào kết quả.

Nghiên cứu nhấn mạnh rằng đây là lần phát hiện hình ảnh trực tiếp đầu tiên của hệ thống phản lực kép trong lõi của Blazar. Công việc trước đây đã đề xuất các hệ nhị phân dựa trên các chu kỳ hoặc các biến thể gián tiếp. Bước đột phá ở đây nằm ở việc quan sát đồng thời hai tia cùng tồn tại trong cùng một hình ảnh.

Bối cảnh lịch sử và triển vọng tương lai

Markarian 501 đã được theo dõi ở nhiều bước sóng trong nhiều thập kỷ. Sự phát xạ tia gamma năng lượng cao và cấu trúc vô tuyến quanh co của nó đã thu hút sự chú ý. Chu kỳ 7,4 năm trong đường cong ánh sáng vô tuyến phù hợp với những biến đổi quan sát được ở các bước sóng khác. Điều này thêm sự mạch lạc cho hình ảnh nổi lên.

Hiện tượng làm sáng chi được báo cáo trong các quan sát trước đây có thể là giả tạo do sự chồng chất của Jet 2 và Jet 1 trong các hình ảnh có chất lượng thấp hơn. Khi tia thứ hai không được nhận dạng, cấu trúc của nó trở nên nhầm lẫn với các cạnh của tia chính. Khả năng này mở đường cho việc đọc lại các tệp VLBI lịch sử trên các lõi hoạt động khác.

Các quan sát nhịp độ dày đặc hơn trong tương lai có thể ghi lại những chuyển động nhanh của Jet 2 trong các cấu hình cụ thể. Black Hole Explorer, với độ phân giải dự kiến ​​khoảng 6 microarco giây, sẽ lấy Markarian 501 làm mục tiêu ưu tiên. Ngay cả khi không giải quyết trực tiếp sự phân tách quỹ đạo, các hình ảnh có độ trung thực cao vẫn có thể tiết lộ chi tiết về dòng vật chất nuôi sống từng lỗ đen.

Ở quy mô rộng hơn, trường hợp này chứng minh rằng hạt nhân thiên hà đang hoạt động là môi trường phức tạp. Mô hình đơn giản về một lỗ đen đơn với một cặp tia vuông góc với đĩa bồi tụ là hữu ích nhưng không đủ ở độ phân giải cao. Sự sáp nhập thiên hà là phổ biến trong vũ trụ. Vì vậy, các cặp lỗ đen siêu lớn phải tồn tại với số lượng lớn. Việc phân tích lại các bộ sưu tập dữ liệu giao thoa kế đường cơ sở dài hiện có có thể tiết lộ các trường hợp tương tự khác.

Phát hiện này củng cố giá trị của các chương trình giám sát dài hạn. Mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến như Mảng đường cơ sở rất dài, có chức năng như một công cụ có kích thước lục địa, là rất cần thiết cho những tiến bộ này. Việc phân tích cẩn thận dữ liệu được tích lũy qua nhiều năm cho phép chúng tôi phân biệt được hai sợi riêng biệt trong cấu trúc dường như là một tia duy nhất.

Vũ trụ tiếp tục bộc lộ thêm những lớp phức tạp khác. Hai lỗ đen đã quay quanh nhau ở trung tâm Markarian 501 trong nhiều thập kỷ. Mỗi chiếc phóng tia plasma của riêng mình được tăng tốc tới tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Trong một thời gian dài, các thiết bị và kỳ vọng của người quan sát chỉ cho thấy một tia phản lực. Giờ đây, với dữ liệu có độ phân giải cao và phân tích tỉ mỉ, khoa học đã xác định được cả hai. Phát hiện này không chỉ là về một hệ thống cụ thể. It opens new perspectives for understanding how the most massive black holes grow and how galaxies evolve over cosmic time.