Các “ống khói” tia X tại Trung tâm Ngân hà

Các "ống khói" thiên hà và bong bóng Fermi. Hai cấu trúc lớn, vốn được biết tới tên gọi các bong bóng Fermi, nằm trên và dưới đĩa Ngân hà, và trung tâm là lỗ đen siêu khối lượng. Các bong bóng này chứa đầy các hạt mang năng lượng cao được thoát ra từ trung tâm dải Ngân hà vài triệu năm trước đây. Nguồn: Nature

Trung tâm của dải Ngân hà là “nơi trú ngụ” của một lỗ đen siêu khối lượng mà hiện còn phát ra các bức xạ điện từ vô cùng yếu, nhưng có thể đã từng hoạt động nhiều trong quá khứ. Các quan sát tia γ đã tiết lộ có hai cấu trúc lớn là các bong bóng Fermi ở phía trên và dưới bề mặt Ngân hà. Các bong bóng này đầy những hạt năng lượng cao chuyển động gần với tốc độ ánh sáng, vốn được phát ra từ trung tâm thiên hà khoảng một vài triệu năm trước đây. Viết trên Nature, Pontivà cộng sự cho biết, từ các quan sát tia X có thể thấy các cấu trúc như “ống khói” kết nối khu vực quanh trung tâm dải Ngân hà với các bong bóng Fermi.

Các tác giả đã mất hơn 750 giờ quan sát tia X do các đài quan sát không trung XMM-Newton và kính viễn vọng Chandra để lập ra bản đồ chi tiết tia X khu vực trung tâm của dải Ngân hà, một khu vực khoảng 300 × 500 parsec (để so sánh, khoảng cách từ trái đất đến trung tâm Ngân hà khoảng 8.000 parsec). Bản đồ này cho thấy hai cấu trúc gần như tuyến tính kéo dài, mỗi thứ dài khoảng 160 parsec, phía trên và dưới lỗ đen siêu khối lượng tại trung tâm dải Ngân hà. Pontivà cộng sự đặt tên cho hai cấu trúc này là các ‘ống khói” bắc và nam trung tâm Ngân hà.

Các quan sát tia X và sóng radio trước đây cho thấy hai vấu nhỏ của hai luồng vật chất chảy ra, tại một mức khoảng 15 parsec, nằm ở phía trên và dưới mặt phẳng Ngân hà. Các cấu trúc hình ống khói kết nối với các thùy với các bong bóng Fermi, vốn bắt đầu từ nơi cách khoảng 100 parsec phía trên mặt phẳng Ngân hà và chiếm một vùng lớn gần bằng chính kích thước của thiên hà này.

Những nét tương tự giữa các “ống khói” bắc và nam gợi ý vấn đề: chúng có thể có chung một nguồn gốc, phần lớn là liên quan đến trung tâm Ngân hà. Các “ống khói” này dường như bị giới hạn dọc thẳng mặt phẳng Ngân hà và có các rìa sắc nét theo chiều thẳng đứng của nó. Cả hai đều đầy plasma nóng (tại nhiệt độ khoảng 8 triệu kelvin) và có độ sáng lớn gấp cả triệu lần mặt trời.

Nhiệt độ và độ sáng quan sát được này phù hợp với ý tưởng plasma trong các “ống khói” rất nóng bởi năng lượng phát ra trong suốt quá trình bùng nổ của các ngôi sao nặng tập trung ở gần nơi có “ống khói”. Tuy nhiên, dẫu plasma đầy các vấu nhỏ bên trong lại nóng do các siêu tân tinh, dữ liệu tia X mới không ủng hộ ý tưởng này bởi các “ống khói” lại kết nối thẳng với các vấu bên trong. Nhiều khả năng các ngôi sao khổng lồ tại trung tâm Ngân hà được phân bố không đồng đều, dẫn đến việc hình thành những dòng chảy sao riêng rẽ: một ngôi sao nhỏ ở gần lỗ đen siêu khối lượng và một lượng lớn các ngôi sao khác ở gần nơi đặt “ống khói”.

Hình thái học của các “ống khói” khiến người ta nêu giả thuyết là chúng có thể là các kênh do những dòng chảy rất mạnh từ các siêu tân tinh hình thành nên. Ponti và cộng sự đề xuất là các “ống khói” có thể chuyển năng lượng từ các vùng có nhiều hoạt động của trung tâm Ngân hà đến các bong bóng Fermi. Rất nhiều mô hình đã được dùng để ước tính năng lượng cần thiết để tạo ra và duy trì các bong bóng Fermi, nhưng việc ước tính lại khác với những mức cường độ năng lượng khác nhau. Mức thấp hơn của những ước tính này từ những mô hình trong đó các bong bóng Fermi đã được một tập hợp những tia vũ trụ tạo ra (gồm có các proton và các ion nặng), vốn xuất phát từ các vụ nổ siêu tân tinh tại trung tâm dải Ngân hà. Nguồn năng lượng này được nêu trong kịch bản miêu tả “sân chơi bóng chày” này như những năng lượng quan sát được của các “ống khói”. Các giá trị năng lượng này đều ở mức giới hạn thấp nhất trong tổng năng lượng do các “ống khói” tạo ra, bởi vì chỉ có một phần nhỏ trong tổng năng lượng sẽ được lưu trữ dưới dạng plasma phát xạ tia X.

Trong kịch bản năng lượng từ các siêu tân tinh này, lỗ đen siêu khối lượng chỉ đóng vai trò thứ yếu. Dẫu sao, hình thái học của vùng trung tâm thiên hà có thể là kết quả của những bùng phát năng lượng cực lớn được tạo ra sau sự tích tụ theo định luật hấp dẫn của các ngôi sao bị tách rời ở vị trí gần lỗ đen. Trong trường hợp này, các “ống khói” có thể làm giảm nhẹ sự lan truyền của vật chất và năng lượng từ lỗ đen này đến các vùng có áp suất thấp và loãng phía trên đĩa dải Ngân hà. Lỗ đen có thể phát ra những luồng năng lượng lớn hàng trăm lần so với năng lượng từ chúng mà chúng ta quan sát được như trong trường hợp đã biết với một số thiên hà.

Khám phá về những “ống khói” là một miếng nhỏ trong trò chơi ghép hình tạo ra bức tranh tổng thể của chúng ta những quá trình phức tạp ảnh hưởng đến dải Ngân hà của chúng ta. Nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải đáp. Tại thời điểm hiện tại, chúng ta chỉ quan sát được một phần của khu vực chứa các bong bóng của Fermi. Các quan sát về toàn bộ khu vực này sẽ giúp gạn lọc thông tin là liệu các bức xạ tia X từ các “ống khói” là những dấu vết của các dòng chảy khí chuyển qua các vấu bên trong hay đến từ những dòng khí nóng quanh các vấu này. Các quan sát chi tiết về sóng radio trong khu vực này và việc so sánh các đặc điểm từ các quan sát tia X và radio sẽ giúp chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn về năng lượng truyền từ trung tâm Ngân hà tới các bong bóng Fermi.