✨Messier 87
Messier 87 (hay còn có tên gọi khác là Xử Nữ A hoặc NGC 4486, thường được viết gọn là M87) là một thiên hà elip siêu khổng lồ gồm 1 nghìn tỷ ngôi sao nằm trong chòm sao Xử Nữ. Là một trong những thiên hà có khối lượng lớn nhất trong vùng vũ trụ địa phương, M87 chứa 12.000 cụm sao cầu, lớn hơn nhiều so với khoảng 150 đến 200 cụm sao đang quay quanh Dải Ngân hà. Thiên hà này có một chùm tia plasma năng lượng cao phun ra từ lõi, di chuyển với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng và kéo dài ít nhất một khoảng . Ngoài ra, đây còn là một trong những nguồn bức xạ vô tuyến sáng nhất trên bầu trời, đồng thời là đối tượng nghiên cứu ưa thích của các nhà thiên văn nghiệp dư lẫn chuyên nghiệp.
Năm 1781, nhà thiên văn học người Pháp Charles Messier khám phá ra thiên hà này và phân loại nó là một tinh vân. Nằm cách Trái Đất , M87 là thiên hà sáng thứ nhì ở phía bắc của cụm Xử Nữ đồng thời có nhiều thiên hà vệ tinh xung quanh. Không giống những thiên hà xoắn ốc hình đĩa, M87 không có làn bụi phân biệt mà thay vào đó, nó có hình ellipsoid đặc trưng của những thiên hà hình elip khổng lồ. Càng xa vùng trung tâm, độ sáng của thiên hà này càng giảm. Các ngôi sao trong M87 chiếm 1/6 khối lượng của cả thiên hà và phân bố đối xứng nhau theo hình cầu. Mật độ phân bố có xu hướng giảm dần khi di chuyển ra xa khỏi vùng trung tâm. Đáng chú ý, M87 có một lỗ đen siêu khối lượng hoạt động mạnh ở lõi, là thành phần chính của nhân thiên hà hoạt động. Hình ảnh của lỗ đen này được Kính thiên văn Chân trời sự kiện ghi lại bằng dữ liệu vào năm 2017 và công bố vào ngày 10 tháng 4 năm 2019.
M87 là nguồn phát xạ đa bước sóng mạnh mẽ, đặc biệt ở dải sóng vô tuyến. Phạm vi ranh giới ngoài cùng của nó mở rộng ra một khoảng bán kính , nơi khả năng thiên hà này va chạm với một thiên hà khác. Môi trường bên trong M87 bao gồm một lượng khí khuếch tán được làm giàu bằng những nguyên tố sinh ra từ sự tiến hóa của các ngôi sao.
Lịch sử quan sát
Năm 1781, nhà thiên văn học người Pháp Charles Messier công bố một danh lục gồm 103 thiên thể có hình dạng giống tinh vân. Đây là một phần trong danh sách được tạo ra với ý định nhận dạng các thiên thể dễ nhầm lẫn với sao chổi. Trong những phiên bản tiếp theo, từng mục trong danh sách đều có thêm một tiền tố "M". Theo đó, M87 là thiên thể nằm ở vị trí thứ 87 trong bản kê này.]]
Tại vùng trung tâm thiên hà tồn tại một lỗ đen siêu khối lượng, nặng gấp hàng tỉ lần Mặt Trời mang tên M87. Theo ước tính của các nhà khoa học, khối lượng của lỗ đen này rơi vào khoảng Bên cạnh đó, cứ mỗi mười năm, khối lượng các chất khí mà hố đen này hấp thụ đúng bằng khối lượng của toàn bộ Mặt Trời. Nói một cách dễ hiểu thì bình quân mỗi ngày, M87 hấp thụ một lượng khối lượng gấp 90 lần khối lượng Trái Đất.
M87 là lỗ đen đầu tiên và duy nhất tính đến nay được chụp lại. Tháng 4 năm 2017, các nhà khoa học bắt đầu tiến hành xây dựng dữ liệu nhằm tạo ra bức ảnh hoàn chỉnh. Quá trình này kéo dài trong suốt năm 2018. Đến ngày 10 tháng 4 năm 2019, bức ảnh chính thức được công bố. Trên tấm ảnh ta thấy một vùng giống như "cái bóng" của lỗ đen, bao bọc xung quanh là một vòng tròn phát ra bức xạ không đối xứng. Vòng tròn ấy có đường kính là 3,36 × 10−3 parsec (0,0110 ly). Bán kính của "chiếc bóng" này dài hơn 2,6 lần bán kính Schwarzschild. Ngày 24 tháng 3 năm 2021, dưới sự hỗ trợ của Kính thiên văn Chân trời sự kiện, các nhà khoa học lần đầu tiên đã chụp được ảnh của lỗ đen này dưới ánh sáng phân cực. Loại ánh sáng này cho phép các nhà thiên văn thăm dò những yếu tố vật lý của bức ảnh một cách chi tiết hơn, đồng thời cung cấp cho chúng ta thông tin về cường độ và hướng của từ trường bên trong quầng sáng ở "cái bóng" của M87, cũng như cung cấp một cái nhìn rõ hơn về các lực tạo ra chuẩn tinh.
Chùm tia tương đối tính
Tại lõi thiên hà M87, chùm tia tương đối tính thoát ra và trải dài một khoảng ít nhất . Chùm tia này mang theo một lượng vật chất từ lỗ đen siêu khối lượng. Dòng vật chất đó cực kỳ chuẩn trực, gần như cố định tại góc 60° trong phạm vi , góc 16° trong phạm vi và khoảng 6–7° trong phạm vi tính từ lõi thiên hà. Phần đáy của chùm tia có chiều dài bán kính Schwarzschild. Nguồn năng lượng mà chùm tia này sở hữu có thể hình thành nên từ đĩa bồi tụ chuyển động thuận quanh lỗ đen. Theo quan sát của nhà thiên văn học người Mỹ gốc Đức Walter Baade, nguồn ánh sáng do chùm tia phát ra bị phân cực. Quan sát này chỉ ra rằng năng lượng của chùm tia có nguồn gốc từ các electron chuyển động với vận tốc tương đối tính trong từ trường. Tổng năng lượng của các electron này ước tính rơi vào khoảng 5,1 × 1056 ergs (5,1 × 1049 jun hay 3,2 × 1068 eV), gần bằng 1013 năng lượng do Dải Ngân hà sản ra trong một giây (5 × 1036 jun). Bao quanh chùm tia còn có các hạt phi tương đối tính chuyển động chậm hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng. Chưa dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn tìm được bằng chứng cho thấy thực sự tồn tại một chùm tia tương tự, nhưng ngược chiều với chính chùm tia mà chúng ta đang quan sát. Bất chấp điều này, việc quan sát chùm tia ấy vẫn là bất khả thi vì nó chuyển động ngược hướng so với Trái Đất. Ngoài ra, chùm tia chúng ta quan sát thấy cũng đang tiến động, tạo ra một dạng dòng chảy xoắn ốc dài . Các "thùy vô tuyến" sinh ra từ chùm tia ấy có thể dàn trải trên một phạm vi .
Trong bức ảnh do Kính viễn vọng không gian Hubble chụp vào năm 1999, chuyển động đo được trong chùm tia tương đối tính tại thiên hà M87 có vận tốc từ bốn đến sáu lần vận tốc ánh sáng. Đây là hiện tượng chuyển động siêu ánh sáng, một dạng ảo giác gây ra bởi vận tốc tương đối tính của chùm tia này. Cụ thể, khoảng thời gian giữa hai xung ánh sáng bất kỳ do dòng vật chất phát ra sẽ ngắn hơn thời gian thực tế theo mắt người quan sát. Nguyên nhân là do đối với người quan sát, chùm tia chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, từ đó tạo ra cảm giác vận tốc lúc đó nhanh hơn ánh sáng. Đây là dạng chuyển động thường dùng để lý giải cho hiện tượng tương tự (với các góc quan sát khác nhau) xảy ra trong các chuẩn tinh, thiên thể BL Lac cùng các thiên hà vô tuyến, nơi tồn tại nhân thiên hà hoạt động. Không những thế, người ta còn cho rằng M87 là một thiên thể BL Lac, vì khi quan sát từ một góc tương đối lớn, nhân thiên hà có độ sáng thấp hơn độ sáng của chính thiên hà đó. Ngoài ra, các nhà khoa học cũng quan sát được sự biến thiên của thông lượng, đặc trưng của những thiên thể BL Lac ngay trong chính thiên hà này. trái|nhỏ|Hình ảnh bước sóng vô tuyến của M87 cho thấy lõi thiên hà M87 đang phát xạ sóng vô tuyến.
Các quan sát chỉ ra rằng tốc độ vật chất bị đẩy ra khỏi lỗ đen siêu khối lượng luôn thay đổi. Sự không cố định này sinh ra sóng áp suất trong vùng khí nóng bao quanh thiên hà M87. Đài quan sát tia X Chandra đã phát hiện ra các cấu trúc có dạng hình vòng giống như thòng lọng cùng các cấu trúc hình tròn bên trong vùng khí này. Sự phân bố của chúng chứng tỏ những vụ nổ nhỏ vẫn thường xảy ra với tần suất vài triệu năm một lần. Mặc dù vậy, vẫn có vòng tròn hình thành nên do kết quả từ một vụ nổ tương đối lớn, tạo ra sóng xung kích có đường kính xung quanh lỗ đen. Không những thế, quan sát còn chỉ ra có các cấu trúc dạng sợi nhỏ, phát ra tia X với chiều dài lên đến , cũng như một cái hốc lớn bên trong vùng khí nóng, xuất hiện sau một vụ nổ lớn cách đây 70 triệu năm. Việc các vụ nổ xảy ra với tần suất liên tục đã ngăn không cho nguồn chất khí khổng lồ nguội đi và tái khởi động quá trình hình thành sao. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến sự tiến hóa của M87, khiến nó không thể trở thành một thiên hà xoắn ốc lớn. Bên cạnh đó, theo như quan sát, các vụ nổ khác nhau còn tạo ra âm thanh có cường độ dao động từ 56 đến 59 quãng tám, thấp hơn nốt Đô.
M87 là nguồn tia gamma cực mạnh, tia hoạt động mạnh nhất trong quang phổ điện từ. Kể từ cuối thập niên 90 của thế kỷ 20, người ta đã bắt đầu quan sát các tia gamma sinh ra từ thiên hà này. Đến năm 2006, nhờ sự hỗ trợ của Hệ thống Lập thể Năng lượng cao, các nhà khoa học cuối cùng cũng tính toán được sự biến thiên trong thông lượng của tia gamma từ thiên hà M87 và nhận ra rằng sự biến thiên này chỉ kéo dài vỏn vẹn trong vài ngày. Khoảng thời gian ngắn ngủi ấy chứng tỏ có khả năng cực cao nguồn tia gamma đó chính là một lỗ đen siêu khổng lồ. Nói chung, đường kính của nguồn phát xạ càng nhỏ thì sự biến thiên của thông lượng càng nhanh và ngược lại.
Kính viễn vọng không gian Hubble cùng với Đài quan sát tia X Chandra còn phát hiện ra một điểm được gọi là "nút thắt" (định danh là HST-1) trong dòng vật chất sinh ra từ M87. "Nút thắt" này nằm cách trung tâm thiên hà khoảng . Tính đến năm 2006, cường độ tia X trong nút thắt này đã tăng lên 50 lần chỉ trong vòng 4 năm. Kể từ sau thời điểm đó, sự phát xạ của tia X cũng dần suy giảm theo nhiều cách khác nhau.
Sự tương tác giữa chùm tia plasma sinh ra từ lõi thiên hà và môi trường xung quanh đã tạo ra các "thùy vô tuyến" ngay bên trong các thiên hà hoạt động. Các "thùy" này xuất hiện theo cặp và thường đối xứng với nhau. Hai "thùy vô tuyến" của M87 cùng trải rộng trên một vùng có phạm vi lên đến 80 kiloparsec, trong khi phần bên trong của chúng mở rộng ra hai kiloparsec, đồng thời phát ra bước sóng vô tuyến mạnh mẽ. Một trong hai dòng vật chất sinh ra từ vùng này thẳng hàng với chính chùm tia, trong khi dòng vật chất còn lại di chuyển theo chiều ngược lại. Dòng vật chất bị méo mó và biến dạng, cho thấy nó ắt hẳn phải chạm trán với vùng plasma phân bố dày đặc bên trong các cụm thiên hà. Ở khoảng cách xa hơn, cả hai dòng vật chất khuếch tán thành các "thùy vô tuyến", bao quanh bởi một quầng sáng mờ bằng khí phát ra sóng vô tuyến.
Môi trường liên sao
Không gian giữa các vì sao trong thiên hà M87 chứa đầy khí khuếch tán được làm giàu về mặt hóa học bởi các nguyên tố bắn ra từ các ngôi sao đi hết vòng đời của mình. Bên cạnh đó, các ngôi sao có khối lượng trung bình còn liên tục sản xuất ra carbon và nitơ khi chúng trải qua giai đoạn "nhánh tiệm cận khổng lồ", còn các nguyên tố nặng hơn (từ oxy đến sắt) phần lớn sinh ra sau các vụ nổ siêu tân tinh. Ngoài ra, các siêu tân tinh suy sụp lõi là nơi sản sinh ra khoảng 60% nguyên tố nặng trong thiên hà M87, trong khi 40% còn lại bắt nguồn từ các siêu tân tinh loại Ia. Nồng độ oxy phân bố gần như đồng đều trong toàn bộ thiên hà, tương đương với khoảng phân nửa lượng oxy tại Mặt Trời. Trong khi đó, nguyên tố sắt chủ yếu phân bố tại vùng trung tâm với một lượng bằng giá trị của Mặt Trời. Vì oxy chỉ xuất hiện trong các siêu tân tinh suy sụp lõi, xảy ra trong giai đoạn đầu của các thiên hà, chủ yếu ở bên ngoài các vùng hình thành sao, nên do đó, sự phân bố của các nguyên tố nặng nêu trên chứng tỏ ngay từ giai đoạn khởi thủy, các nguyên tố sinh ra từ vụ nổ siêu tân tinh chính là yếu tố tạo ra sự phong phú cho môi trường của M87. Sau giai đoạn này, siêu tân tinh loại la trở thành nguồn cung cấp chính các nguyên tố trong suốt tiến trình lịch sử của nó. Mặc dù vậy, so với Dải ngân hà, lượng nguyên tố mà M87 lấy đi từ các nguồn này thực tế ít hơn rất nhiều.
Kiểm tra M87 ở bước sóng hồng ngoại xa cho thấy sự dư thừa bức xạ ở bước sóng dài hơn 25 μm. Theo lẽ thường, điều này là chỉ dấu cho sự tỏa nhiệt từ bụi vũ trụ có nhiệt độ cao. Tuy nhiên, trong trường hợp của thiên hà M87, nguyên nhân có thể đến từ bức xạ đồng bộ từ bên trong chùm tia tương đối tính. Bên cạnh đó, tại lõi thiên hà, do tác động của quá trình phát xạ tia X nên chu kỳ tồn tại của các hạt silicat thường không kéo dài quá 46 triệu năm. Vì vậy, bụi vũ trụ trong M87 có thể biến mất do sự khắc nghiệt của môi trường hoặc bị kéo ra xa khỏi thiên hà. Lớp bụi này có tổng khối lượng không quá 70.000 lần khối lượng Mặt Trời. Bằng sự so sánh trên, người ta có thể phần nào dự đoán được lượng bụi mà Dải Ngân hà nắm giữ tương đương với một trăm triệu (108) đơn vị khối lượng Mặt Trời.
Mặc dù M87 là một thiên hà hình elip và do đó thiếu các làn bụi, đặc trưng của một thiên hà xoắn ốc, nhưng người ta lại quan sát thấy những cấu trúc hình sợi, phát sáng trong thiên hà này. Chúng trồi ra khi chất khí bồi tụ dần về phía lõi. Nguyên nhân có thể đến từ kích thích va chạm ngay khi các dòng khí đi xuống và đối mặt tia X tại vùng này. Những sợi này ước tính có khối lượng khoảng 10.000 lần Mặt Trời. Bao quanh thiên hà là một quầng sáng có nhiệt độ cao, chứa ít chất khí.
Cụm sao cầu
M87 có một số lượng rất lớn các cụm sao cầu. Năm 2006, một cuộc nghiên cứu xung quanh bán kính 25′ ở vùng trung tâm đã đưa ra ước tính rằng có khoảng cụm sao cầu quay quanh thiên hà này, lớn hơn nhiều so với 150–200 cụm sao cầu đang quay quanh thiên hà của chúng ta. Các cụm sao trong M87 có sự phân bố về kích thước tương tự như Dải Ngân hà, hầu hết có bán kính hiệu dụng từ 1 đến 6 parsec. Càng ra xa trung tâm M87 thì kích thước của các cụm sao này cũng tăng dần theo. Trong phạm vi bán kính tính từ tâm thiên hà, độ kim loại của cụm sao cầu bằng khoảng một nửa độ kim loại của Mặt Trời. Bên ngoài phạm vi bán kính này, càng ra xa vùng trung tâm, độ kim loại càng giảm. Ngoài ra, các cụm sao có độ kim loại thấp thường có kích thước lớn hơn các cụm sao giàu kim loại. Năm 2014, các nhà khoa học đã tìm ra cụm sao có vận tốc siêu lớn đầu tiên mang tên HVGC-1. Cụm sao này đang trong quá trình tách khỏi M87 với vận tốc 2.300 km/s. Theo suy đoán, đây là kết quả của một vụ va chạm trong phạm vi gần, cộng hưởng với sự tác động từ một lỗ đen nhị phân siêu lớn.
Theo các nhà khoa học, M87 có khoảng 100 thiên hà lùn siêu đặc. Chúng có hình dáng gần giống các cụm sao cầu nhưng có đường kính từ trở lên, lớn hơn nhiều so với đường kính tối đa của một cụm sao cầu là . Vẫn chưa chắc chắn liệu đây có phải là những thiên hà lùn hay là một loại cụm sao cầu có đường kính khổng lồ.
Môi trường
thế=Visible wavelength image of Virgo cluster with M87 near lower left|nhỏ|Ảnh chụp Cụm Xử Nữ (do [[Tổ chức Nghiên cứu thiên văn châu Âu tại Nam Bán cầu|Đài thiên văn Nam Châu Âu chụp vào năm 2009). Góc dưới bên trái là thiên hà M87 và nửa trên của tấm hình là Chuỗi Markarian. Các điểm tối trong ảnh là các ngôi sao sáng chói đã bị che mờ đi.]] M87 tọa lạc gần trung tâm Cụm Xử Nữ – một cấu trúc khá đặc với gần 2.000 thiên hà. Cụm Xử Nữ là trung tâm của Siêu cụm Xử Nữ, nơi Nhóm Địa phương (bao gồm Ngân Hà) nằm ở ngoài rìa. Cụm Xử Nữ được chia thành ba hệ thiên hà con riêng biệt với trung tâm là ba thiên hà lớn (M87, M49 và M86) hoặc chia làm hai cụm thiên hà con với trung tâm là M87 (Xử Nữ A) và M49 (Xử Nữ B). Một số nhà khoa học cho rằng còn có cụm thiên hà con Xử Nữ C. Có một số lượng lớn các thiên hà elip và thiên hà hình hạt đậu phân bố quanh M87, cùng với đó là một chuỗi thiên hà elip trải dài theo chùm tia tương đối tính. Vì là thiên hà vượt trội về khối lượng so với các thành viên khác trong Cụm Xử Nữ nên M87 hầu như di chuyển tương đối ít so với toàn thể cụm thiên hà này. Do vậy, nó được xem như là trung tâm của toàn bộ Cụm Xử Nữ. Cụm này có khí quyển mỏng và phát ra tia X. Nhiệt độ của luồng tia X này giảm dần về phía trung tâm nơi thiên hà M87 cư ngụ. Tổng khối lượng của toàn bộ cụm thiên hà này ước tính lên tới 0,15–1,5 × 1015 khối lượng Mặt Trời.
Nhiều phép đo chuyển động của các cụm tinh vân hành tinh nằm giữa M87 và M86 cho thấy rằng hai thiên hà này đang di chuyển dần về phía nhau. Đây có thể là lần chạm trán đầu tiên giữa chúng. M87 có thể đã từng va chạm với M84 trong quá khứ. Bằng chứng rõ nét nhất là một phần thuộc vòng ngoài của quầng thiên hà M87 bị khuyết đi do lực tương tác thủy triều. Tuy nhiên, hiện tượng này có thể bắt nguồn từ việc thiên hà này co lại bởi một lượng vật chất không nhìn thấy từ vùng phía ngoài suy sụp vào trong nó. Có giả thuyết cho rằng đấy là vật chất tối. Một giả thuyết khác là khi quầng thiên hà đang hình thành, phản ứng từ hoạt động của nhân thiên hà M87 thời khai sinh đã tạo ra phần khuyết đó.