Một cụm sao đang nhẹ nhàng lướt đi trên bầu trời có thể ẩn chứa một bí mật trong trái tim của nó: một nhóm gồm hơn 100 lỗ đen khối lượng sao.
Nếu phát hiện này được xác thực, nó sẽ giải thích cách mà cụm sao trở nên kỳ lạ như vậy: các ngôi sao của nó cách nhau hàng năm ánh sáng, biến thành một dòng sao trải dài trên 30.000 năm ánh sáng. Cụm sao được đề cập có tên là Palomar 5, nằm cách xa khoảng 80.000 năm ánh sáng.
Hình vẽ minh họa của nghệ sĩ về các lỗ đen trong một cụm. (ESA/Hubble, N. Bartmann)
Những cụm sao cầu thường được coi là các 'hóa thạch' của Vũ trụ sơ khai. Chúng rất dày và có dạng hình cầu, thường chứa khoảng 100.000 đến 1 triệu ngôi sao rất già; một số cụm sao tương tự, như NGC 6397, có tuổi gần bằng với chính 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 đã biết; những vật thể này là công cụ tuyệt vời để nghiên cứu lịch sử của Vũ trụ, hoặc hàm lượng vật chất tối của các thiên hà mà chúng quay quanh.
Nhưng có một loại nhóm sao khác đang được chú ý nhiều hơn - được mô tả là các “dòng thủy triều”, các “dòng sông dài” của các ngôi sao trải dài trên bầu trời. Trước đây, những dòng sao này rất khó xác định, nhưng với việc đài quan sát không gian Gaia được phóng lên để lập bản đồ Ngân Hà với độ chính xác cao trong ba chiều, nhiều dòng sao này đã được đưa ra ánh sáng.
Nhà vật lý thiên văn Mark Gieles của Đại học Barcelona, Tây Ban Nha, giải thích: “Chúng tôi không biết những dòng chảy này hình thành như thế nào, nhưng có một ý kiến cho rằng chúng là những cụm sao bị phá vỡ”.
"Tuy nhiên, không có dòng sao 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 cách các dòng sao này hình thành, chúng tôi cần nghiên cứu một dòng có hệ sao liên kết với nó. Palomar 5 là trường hợp duy nhất để hiểu sự hình thành dòng sao và đó là lý do tại sao chúng tôi đã nghiên cứu nó một cách chi tiết. "
Palomar 5 có vẻ độc đáo ở chỗ nó có cả sự phân bố rất rộng, lỏng lẻo của các ngôi sao và một dòng thủy triều dài, kéo dài hơn 20 độ của bầu trời, vì vậy Gieles và nhóm của ông đã tìm đến nó.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mô phỏng chi tiết N-body để tái tạo quỹ đạo và sự phát triển của từng ngôi sao trong cụm sao, để xem chúng có thể có được vị trí như ngày nay như thế nào.
Vì bằng chứng gần đây cho thấy quần thể lỗ đen có thể tồn tại ở vùng trung tâm của các cụm sao cầu, và vì tương tác hấp dẫn với lỗ đen được biết là có thể đưa các ngôi sao đi xa, các nhà khoa học đã đưa các lỗ đen vào một số mô phỏng của họ.
Kết quả của họ cho thấy một quần thể các 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 tạo thành dòng thủy triều, nhưng chỉ với số lượng lỗ đen cao hơn đáng kể so với dự đoán trước đó.
Các ngôi sao thoát ra khỏi cụm sao hiệu quả và dễ dàng hơn các lỗ đen sẽ làm thay đổi tỷ lệ các lỗ đen, làm cho số lượng tăng lên khá nhiều.
Gieles cho biết: “Số lượng lỗ đen lớn hơn khoảng ba lần so với dự kiến so với số lượng ngôi sao trong cụm, và điều đó có nghĩa là hơn 20% tổng khối lượng cụm sao được tạo thành từ các lỗ đen”.
"Mỗi lỗ đen trong số 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 lớn, khi cụm sao vẫn còn rất trẻ."
Trong khoảng một tỷ năm, các mô phỏng của nhóm nghiên cứu cho thấy, cụm sao sẽ tan biến hoàn toàn. Ngay trước khi điều này xảy ra, những gì còn lại của cụm sẽ hoàn toàn bao gồm các lỗ đen, quay quanh trung tâm thiên hà. Điều này cho thấy rằng Palomar 5 không phải là duy nhất - nó sẽ tan biến hoàn toàn thành một dòng sao, giống như những dòng sao khác mà chúng ta đã khám phá.
Nó cũng gợi ý rằng cuối cùng các cụm sao cầu khác cũng sẽ chịu chung số phận. Và nó cung cấp xác nhận rằng các cụm sao cầu có thể là những nơi tuyệt vời để tìm kiếm các lỗ đen mà cuối cùng chúng sẽ va chạm với nhau, cũng như loại lỗ đen khối lượng trung bình vốn rất khó phát hiện, nằm ở giữa lỗ đen khối lượng sao và lỗ đen siêu khối lượng.
Nhà vật lý thiên văn Fabio Antonini thuộc Đại học Cardiff ở Anh cho biết: “Người ta tin rằng một phần lớn các vụ hợp nhất 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 sao, điều này khó do hạn chế trong quan sát vì chúng ta không thể nhìn thấy các lỗ đen. Phương pháp của chúng tôi cung cấp cho chúng ta cách 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.
