Lần đầu chụp ảnh hố đen ở trung tâm Dải Ngân hà

Tháng 4/2017, Mạng lưới Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT) đã sử dụng tám đài quan sát khác nhau trên khắp thế giới trong vòng 5 đêm để thu thập dữ liệu từ hố đen M87* ở trung tâm thiên hà M87 và hố đen Sagittarius A* ở trung tâm Dải Ngân hà. Các vị trí quan sát trải dài từ Tây Ban Nha đến Nam Cực và từ Chile đến Hawaii, tất cả dữ liệu trả về lên đến gần 4 petabyte (4.000 terabyte). Lượng dữ liệu này quá lớn, không thể gửi qua Internet mà phải ghi lại trên đĩa cứng sau đó vận chuyển bằng đường hàng không đến các phòng thí nghiệm phân tích.

Năm 2019, các nhà nghiên cứu EHT công bố hình ảnh M87*, cho thấy bằng chứng trực tiếp đầu tiên về chân trời sự kiện - bề mặt hình cầu bao phủ lỗ đen.

Nhưng dữ liệu Sagittarius A* khó phân tích hơn. Hai lỗ đen có kích thước biểu kiến ​​gần bằng nhau trên bầu trời, vì M87* xa hơn gần 2.000 lần nhưng cũng lớn hơn Sagittarius A* khoảng 1.600 lần. Điều đó có nghĩa là, bất kỳ vật chất nào xoay quanh M87* đều di chuyển theo một quỹ đạo lớn hơn nhiều so với quỹ đạo của vật chất xoay quanh Sagittarius A* - và bức xạ chúng phát ra về cơ bản không đổi trong một khoảng thời gian ngắn. Còn vật chất xoay quanh Sagittarius A* đi theo quỹ đạo ngắn hơn, và bức xạ phát ra thay đổi nhanh chóng, do đó khó quan sát hơn.

“Với M87*, chúng tôi thấy rất ít sự thay đổi trong vòng một tuần," nhà vật lý thiên văn Heino Falcke tại Đại học Radboud Hà Lan, người đồng sáng lập mạng lưới EHT, cho biết. "Sagittarius A* thay đổi theo thang thời gian từ 5 đến 15 phút."

Do sự thay đổi liên tục này, nhóm EHT đã tạo ra không chỉ một hình ảnh của Sagittarius A*, mà là hàng nghìn hình ảnh, và hình ảnh công bố chính thức ngày 12/5 là kết quả của quá trình xử lý công phu.

“Tổng hợp tất cả các hình ảnh, chúng tôi có thể nhìn thấy các đặc điểm chung giữa chúng,” José Gómez tại Viện Vật lý Thiên văn Andalusian Tây Ban Nha, thành viên mạng lưới EHT, cho biết. Hình ảnh Sagittarius A* gần giống với M87*: một vòng bức xạ bao quanh một vùng tối có kích thước chính xác như dự đoán từ các quan sát gián tiếp và từ lý thuyết hấp dẫn của Albert Einstein. EHT đang dự định tạo ra một đoạn phim về hố đen để tìm hiểu thêm về các đặc tính vật lý của nó.

Nhóm EHT đã tiến hành mô phỏng siêu máy tính để so sánh với dữ liệu họ thu được, và kết luận rằng Sagittarius A* nằm trên một trục dọc theo đường thẳng với Trái đất và đang quay ngược chiều kim đồng hồ.

Các nhà thiên văn học vô tuyến lần đầu nghĩ đến sự tồn tại của một hố đen ở trung tâm Dải Ngân hà vào những năm 1970, khi phát hiện một nguồn vô tuyến ở vùng trung tâm của thiên hà. Nguồn này mờ một cách bất thường, mờ hơn một ngôi sao trung bình. Tuy nhiên, hàng thập kỷ quan sát chuyển động của các ngôi sao gần đó cho thấy vật thể này cực kỳ lớn, gấp khoảng 4,15 triệu lần khối lượng của Mặt trời, sai số 0,3%. Tính toán đó là bằng chứng thuyết phục rằng nguồn vô tuyến này khổng lồ và dày đặc đến mức nó không thể là gì khác ngoài một lỗ đen, đồng thời mang về cho Andrea Ghez và Reinhard Genzel Giải Nobel Vật lý 2020. (Hình ảnh EHT thu được cho thấy lỗ đen nặng khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt trời, phù hợp với những ước tính trước đây.)

Vấn đề là Sagittarius A* "tàng hình" đối với kính thiên văn quang học. Bắt đầu từ những năm 1990, Falcke và những người khác nhận ra có thể chụp ảnh hố đen này bằng sóng vô tuyến ngắn, nhưng để làm được như vậy, cần một kính thiên văn có kích thước bằng Trái đất. May mắn thay, họ tìm ra một kỹ thuật được gọi là giao thoa kế: đồng thời hướng nhiều kính thiên văn ở các vị trí khác nhau vào cùng một đối tượng. Về lý thuyết, các kính thiên văn sẽ hoạt động như thể chúng là những mảnh của một kính lớn.

Những nỗ lực đầu tiên để quan sát Sagittarius A* bằng phép đo giao thoa đã sử dụng sóng vô tuyến 7 mm, tương đối dài, và các đài quan sát cách nhau vài nghìn km. Các nhà thiên văn chỉ có thể nhìn thấy một điểm mờ.

Các đội trên toàn thế giới sau đó đã tìm cách cải tiến kỹ thuật phép đo và tái sử dụng một số đài quan sát. Đặc biệt, một nhóm do Shep Doeleman tại Đại học Harvard, Cambridge, Massachusetts, dẫn đầu, đã điều chỉnh Kính viễn vọng Nam Cực và Hệ thống Atacama Large Millimetre/submillimetre (ALMA) trị giá 1,4 tỷ USD Mỹ ở Chile để tham gia công việc này. Nhờ đó, vào năm 2008, nhóm Doeleman tiến hành những quan sát đầu tiên ở bước sóng 1,3 mm, khó khăn hơn rất nhiều so với bước sóng 7 mm về mặt kỹ thuật.

Sau đó, vào năm 2015, các nhóm quan sát trên khắp thế giới đã hợp với nhau thành mạng lưới EHT. Chiến dịch quan sát kéo dài năm đêm vào tháng 4/2017 của họ là chiến dịch đầu tiên có mạng lưới đài quan sát rải đủ rộng để thu về hình ảnh Sagittarius A*.

EHT đã tiếp tục quan sát vào năm 2021 và 2022, với một mạng lưới được cải thiện và các công cụ tinh vi hơn nữa. Họ cho biết các quan sát mới nhất, vào tháng 3 năm nay, đã ghi lại các tín hiệu với tốc độ gấp đôi so với năm 2017 - giúp tăng độ phân giải của hình ảnh sẽ thu được trong vài năm tới.

Các nhà nghiên cứu cũng hy vọng sẽ tìm ra liệu Sagittarius A* có phản lực hay không. Nhiều lỗ đen, bao gồm cả M87*, có hai luồng vật chất phóng ra theo hai hướng ngược nhau, là kết quả của quá trình đốt nóng cực kỳ dữ dội; các luồng vật chất này được gọi là phản lực. Sagittarius A* có thể đã từng có các luồng phản lực lớn trong quá khứ, tạo ra các đám mây vật chất nóng ở trên và dưới trung tâm thiên hà. Nếu có, phản lực ngày nay của nó cũng đã yếu đi nhiều, nhưng vẫn sẽ tiết lộ những chi tiết quan trọng về lịch sử Dải Ngân hà.