Ấn tượng của nghệ sĩ về các lỗ đen trong một cụm. (ESA/Hubble, N. Bartmann) Một cụm sao mịn trải dài trên bầu trời có thể ẩn chứa một bí mật trong trái tim của nó: một bầy gồm hơn 100 lỗ đen khối lượng sao.
Nếu phát hiện này có thể được xác thực, thì nó sẽ giải thích làm thế nào mà cụm sao lại trở thành như vậy – với các ngôi sao của nó cách nhau hàng năm ánh sáng, phân tán thành một luồng sao trải dài 30.000 năm ánh sáng.
Cụm sao được đề cập có tên là Palomar 5, nằm cách chúng ta khoảng 80.000 năm ánh sáng. Những cụm sao cầu như vậy thường được coi là “hóa thạch” của Vũ trụ sơ khai. Chúng rất đặc và hình cầu, thường chứa khoảng 100.000 đến 1 triệu ngôi sao rất già; một số, như NGC 6397, gần bằng tuổi của Vũ trụ.
Trong bất kỳ cụm sao cầu nào, tất cả các ngôi sao của nó hình thành cùng một lúc, từ cùng một đám mây khí. Dải Ngân hà có khoảng 150 cụm sao cầu đã biết; những vật thể này là những công cụ tuyệt vời để nghiên cứu, chẳng hạn như lịch sử của Vũ trụ, hoặc thành phần vật chất tối của các thiên hà mà chúng quay quanh.
Nhưng có một loại nhóm sao khác đang thu hút nhiều sự chú ý hơn – những dòng thủy triều, những dòng sông dài đầy sao trải dài trên bầu trời. Trước đây, những luồng này rất khó xác định, nhưng với đài quan sát không gian Gaia đang hoạt động để lập bản đồ Dải Ngân hà với độ chính xác cao theo ba chiều, nhiều luồng này đã được đưa ra ánh sáng.
Nhà vật lý thiên văn Mark Gieles của Đại học Barcelona ở Tây Ban Nha giải thích: “Chúng tôi không biết những luồng này hình thành như thế nào, nhưng có một ý kiến cho rằng chúng là những cụm sao bị gián đoạn. Tuy nhiên, không có luồng nào được phát hiện gần đây có cụm sao liên kết với chúng, do đó chúng tôi không thể chắc chắn. Vì vậy, để hiểu các luồng này hình thành như thế nào, chúng ta cần nghiên cứu một luồng có hệ thống sao liên kết với nó. Palomar 5 là trường hợp duy nhất, khiến nó trở thành Đá Rosetta để tìm hiểu sự hình thành dòng chảy và đó là lý do tại sao chúng tôi nghiên cứu chi tiết về nó.”
Palomar 5 có vẻ độc đáo ở chỗ nó có cả sự phân bố sao rất rộng, lỏng lẻo và dòng thủy triều dài, kéo dài hơn 20 độ trên bầu trời, vì vậy Gieles và nhóm của ông đã tập trung vào đó.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mô phỏng vật thể N chi tiết để tái tạo quỹ đạo và sự tiến hóa của từng ngôi sao trong cụm, để xem làm thế nào chúng có thể kết thúc ở vị trí như ngày nay.
Do các bằng chứng gần đây cho thấy quần thể lỗ đen có thể tồn tại ở vùng trung tâm của các cụm sao cầu và do các tương tác hấp dẫn với lỗ đen được biết là làm các ngôi sao bay xa, nên các nhà khoa học đã đưa các lỗ đen vào một số mô phỏng của họ.
Kết quả của họ cho thấy rằng một quần thể lỗ đen khối lượng sao bên trong Palomar 5 có thể dẫn đến cấu hình mà chúng ta thấy ngày nay. Các tương tác quỹ đạo sẽ bắn các ngôi sao ra khỏi cụm và đi vào dòng thủy triều, nhưng chỉ với số lượng lỗ đen cao hơn đáng kể so với dự đoán.
Các ngôi sao thoát khỏi cụm hiệu quả và dễ dàng hơn các lỗ đen sẽ làm thay đổi tỷ lệ lỗ đen, làm nó tăng lên một chút.
Gieles cho biết: “Số lượng lỗ đen lớn hơn khoảng ba lần so với dự đoán từ số lượng sao trong cụm, và điều đó có nghĩa là hơn 20% tổng khối lượng của cụm được tạo thành từ các lỗ đen. Mỗi chúng có khối lượng gấp khoảng 20 lần khối lượng Mặt trời và chúng hình thành trong các vụ nổ siêu tân tinh vào cuối vòng đời của các ngôi sao khối lượng lớn, khi cụm này vẫn còn rất trẻ.”
Trong khoảng một tỷ năm, các mô phỏng của nhóm cho thấy, cụm sao sẽ tan biến hoàn toàn. Ngay trước khi điều này xảy ra, những gì còn lại của cụm sao sẽ bao gồm hoàn toàn các lỗ đen, quay quanh trung tâm thiên hà. Điều này cho thấy rằng xét cho cùng, Palomar 5 không phải là duy nhất – nó sẽ tan biến hoàn toàn thành một dòng sao, giống như những ngôi sao khác mà chúng ta đã khám phá.
Nó cũng gợi ý rằng các cụm sao cầu khác cuối cùng sẽ có chung số phận. Và nó đưa ra xác nhận rằng các cụm sao cầu có thể là những nơi tuyệt vời để tìm kiếm các lỗ đen cuối cùng sẽ va chạm, cũng như loại lỗ đen hạng trung khó nắm bắt, giữa các sao có khối lượng nhẹ và các siêu nặng.
Nhà vật lý thiên văn Fabio Antonini của Đại học Cardiff ở Anh cho biết: “Người ta tin rằng một phần lớn các vụ sáp nhập lỗ đen nhị phân hình thành trong các cụm sao. Một ẩn số lớn trong kịch bản này là có bao nhiêu lỗ đen trong các cụm, điều này khó hạn chế bằng quan sát vì chúng ta không thể nhìn thấy các lỗ đen. Phương pháp của chúng tôi cho chúng tôi một cách để tìm hiểu có bao nhiêu lỗ đen trong một cụm sao bằng cách nhìn vào những ngôi sao mà chúng phóng ra.”
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Astronomy.
