Phim vô tuyến về tia phản lực: bức tranh mới về các dòng plasma xung quanh lỗ đen siêu khối lượng

Hai mươi bảy năm quan sát một trong những thiên hà hoạt động sáng nhất trong vũ trụ cuối cùng đã tạo thành một bức tranh liên tục. Blazar 3C 345, nằm cách xa khoảng năm tỷ năm ánh sáng, từ lâu đã là đối tượng được chú ý đặc biệt. Tia phản lực tương đối tính của nó, bị lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm phun ra, đã cho thấy những 'nút' sáng dường như lao đi với tốc độ siêu ánh sáng. Các nhà thiên văn học trong nhiều thập kỷ đã giải thích chúng là các sóng xung kích — các mặt trước nén plasma, chạy dọc theo tia phản lực nhanh hơn vật chất xung quanh. Nghiên cứu mới, được công bố trên Nature, cho thấy bức tranh quen thuộc này, ít nhất là đối với 3C 345, không đứng vững trước sự kiểm chứng.

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng thuật toán kine — một phương pháp mạng thần kinh có khả năng biến các hình ảnh vô tuyến rời rạc thành video phân cực liên tục. Cơ sở của nó là 116 quan sát, được thực hiện từ năm 1995 đến năm 2022 bởi mạng lưới VLBA trong khuôn khổ chương trình MOJAVE ở tần số 15 GHz. Thuật toán xử lý đồng thời tất cả dữ liệu, tính đến các mối liên hệ không gian-thời gian và đưa ra một mô hình mượt mà có thể được 'phát' tại bất kỳ thời điểm nào. Kết quả rất ấn tượng: độ phân giải tăng khoảng bốn lần so với các phương pháp truyền thống, và dải động tăng gần 140 lần. Thay vì những đốm sáng riêng lẻ, các nhà khoa học đã nhìn thấy một dòng plasma toàn vẹn và có thể đo tốc độ cục bộ của nó tại mỗi điểm của tia phản lực.

Video cho thấy các nút sáng di chuyển với tốc độ xấp xỉ tốc độ của plasma xung quanh. Không phát hiện thấy sự vượt trước đáng kể nào, điều vốn cần thiết đối với các sóng xung kích. Hơn nữa, các đỉnh độ sáng không trùng khớp với các cực đại phân cực — một lập luận khác chống lại cách giải thích cổ điển. Dữ liệu phân cực chỉ ra nhiều khả năng là các vùng từ tính được tăng cường cục bộ, có độ sáng tăng thêm do hướng chuyển động. Plasma liên tục chảy ra từ lõi nhỏ gọn, đôi khi phun ra các cấu trúc sáng riêng lẻ, ban đầu bay gần như theo quỹ đạo đạn đạo, sau đó xoay nhẹ dọc theo trục của tia phản lực và tan biến vào một 'vệt' khuếch tán.

Khám phá này hiện chỉ liên quan đến 3C 345. Các tác giả nhấn mạnh rằng không nên tự động áp dụng các kết luận này cho tất cả các tia phản lực của các nhân thiên hà hoạt động. Tuy nhiên, phương pháp này đã sẵn sàng để áp dụng cho kho lưu trữ của hàng trăm vật thể. Nếu một bức tranh tương tự lặp lại, những quan niệm về cách các lỗ đen siêu khối lượng tăng tốc và cấu trúc hóa vật chất có thể thay đổi đáng kể.

Đằng sau những con số và thuật toán là một điều gì đó lớn lao hơn. Hàng tỷ năm trước, trong một thiên hà xa xôi, vật chất rơi vào lỗ đen đã sinh ra một chùm tia tương đối tính hẹp, vẫn đang băng qua không gian liên thiên hà cho đến tận ngày nay. Chúng ta, những người sống trên một hành tinh nhỏ bé, với sự trợ giúp của các kính thiên văn vô tuyến rải rác trên Trái đất và các mạng thần kinh, đã có thể nhìn thấy sự chuyển động của plasma trong chùm tia này. Vũ trụ hóa ra được cấu tạo theo cách mà những quá trình vĩ đại nhất của nó — sự hình thành các tia phản lực tại chân trời sự kiện, các từ trường, các tốc độ tương đối tính — để lại những dấu vết có thể giải mã được. Và mỗi phương pháp mới chỉ củng cố thêm cảm giác: thế giới mà chúng ta đang tồn tại được kết nối một cách vô cùng chính xác và phức tạp, và những gì diễn ra trong chiều sâu của nó vượt xa những quy mô thông thường.