Bức ảnh lỗ đen đầu tiên trong lịch sử

Mạng lưới Event Horizon Telescope đã công bốbức ảnh về lỗ đen - tại trung tâm thiên hà M87. Nguồn: EHT Collaboration

Các nhà thiên văn học cuối cùng đã có thể nhìn lướt qua cái tăm tối ảm đạm của một lỗ đen. Bằng việc ghép nối một mạng lưới kính viễn vọng sóng radio toàn cầu, lần đầu tiên họ có thể “trình làng” một bức ảnh chân trời sự kiện – phần rìa đầy nguy hiểm của một lỗ đen – trên cái nền xoáy của ánh sáng.

“Chúng tôi đã thấy những cái cổng địa ngục tại điểm cuối của không gian và thời gian”, nhà vật lý Heino Falcke của trường đại học Radboud ở Nijmegen, Hà Lan nói tại buổi họp báo ở Brussels. “Những gì bạn đang trông chờ được thấy là một vòng tròn được tạo ra bằng sự biến dạng của không - thời gian. Ánh sáng ở xung quanh và nó giống như một đường tròn”.

Các hình ảnh đó – của một cấu trúc giống hình tròn, rực sáng- chứng tỏ lỗ đen siêu khối lượng tại trung tâm của thiên hà M87, cách mặt trời 16 megaparsecs (55 triệu năm ánh sáng) và có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần mặt trời. Chúng cho thấy, có nhiều chi tiết hơn trước đây, chân trời sự kiện – nơi lực hấp dẫn mạnh đến mức không có gì có thể vượt qua được nó, ngay cả ánh sáng.

Các kết quả được mong chờ này, có thể được so sánh với ghi nhận hình ảnh chiếc bánh doughnut trên bề mặt mặt trăng, được Nhóm hợp tác Kính viễn vọng chân trời sự kiện (Event Horizon Telescope EHT) trong 6 cuộc hội thảo được tổ chức đồng thời ở bốn châu lục. Những phát hiện đó được xuất bản trên tạp chí Astrophysical Journal Letters vào ngày 10/4/2019.

Hình ảnh này là một “thành tích đáng kinh ngạc”, nhà vật lý thiên văn Roger Blandford của trường đại học Stanford ở California. “Hồi sinh viên, tôi chưa bao giờ mơ là về bất kỳ điều gì như thế lại có thể xảy ra. Đây là một xác nhận khác về thuyết tương đối tổng quát như một lý thuyết đúng về lực hấp dẫn mạnh”.

“Tôi rất vui mừng”, Andrea Ghez, một nhà thiên văn học tại trường đại học California, Los Angeles. Những hình ảnh đó cung cấp “bằng chứng xác thực” của một ‘quầng photon’ xung quang một lỗ đen, cô nói.

Sáu cuộc họp báo được tổ chức khắp thế giới tiết lộ những hình ảnh về lỗ đen.

Những dự đoán về lỗ đen

Gần một thế kỷ trước, các nhà vật lý lần đầu tiên suy luận ra là các lỗ đen có thể tồn tại từ thuyết tương đối rộng về lực hấp dẫn của Albert Einstein, phần lớn bằng chứng đó cho đến nay vẫn là gián tiếp. Nhóm hợp tác EHT đã đưa ra một xác nhận mới về những dự đoán này.

Nhóm nghiên cứu đã quan sát hai lỗ đen siêu khối lượng – một của thiên hà M87 và một là Sagittarius A*, nằm ở trung tâm của Ngân hà — trong năm đêm tháng 4/2017. Họ đã hội tụ đủ độ phân giải để nắm bắt được khoảng cách của các vật thể bằng việc nối các đài quan sát sóng radio trên khắp hành tinh – từ Hawaii đến South Pole — và mỗi đài quan sát thu thập dữ liệu nhiều hơn cả Cỗ máy gia tốc hạt lớn LHC trong vòng một năm. Phải mất hơn hai năm làm việc cật lực để ghép nối các bức ảnh đó với nhau.

Sau khi kết hợp dữ liệu của các đài quan sát, nhóm hợp tác đã bắt đầu phân tích vào giữa năm 2018. Họ nhanh chóng nhận ra là họ có thể có được một bức ảnh đầu tiên, rõ ràng từ thiên hà M87. “Chúng tôi tập trung mọi chú ý vào thiên hà M87 khi chúng tôi thấy những kết quả đầu tiên bởi chúng tôi thấy nó sẽ trở thành thứ tuyệt vời,” Falcke nói.

Tại hội nghị ở Brussels, nhà vật lý thiên văn Monika Moscibrodzka, cũng tại trường Radboud, cho biết những phép đo này đến giờ vẫn còn chưa đủ chính xác để đo được spin của lỗ đen M87 nhanh như thế nào – một đặc điểm cốt lõi về lỗ đen. Nhưng nó cũng chỉ dấu hướng quay của lỗ đen, vốn được coi là theo chiều kim đồng hồ của bầu trời, cô nói. Những nghiên cứu sâu hơn có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu cách lỗ đen tạo ra các luồng tia khổng lồ của nó như thế nào.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu sẽ tập trung sự chú ý vào dữ liệu Sagittarius A*. Bởi Sagittarius A* nhỏ hơn gần 1.000 lần so với lỗ đen M87, vật chất quay quanh nó nhiều lần trong suốt từng phiên quan sát khiến tạo ra một tín hiệu thay đổi nhanh chóng hơn là một vật thể đứng yên, Luciano Rezzolla – một nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại trường đại học Goethe Frankfurt và là môt jthanhf viên của Nhóm hợp tác EHT, nhận xét. Điều đó cũng khiến cho việc giải thích về dữ liệu trở nên phức tạp hơn nhưng cũng hứa hẹn sự phong phú hơn về thông tin.

Các chân trời sự kiện là đặc điểm quan trọng của các lỗ đen. Với một người quan sát ở phạm vi gần hơn, một chân trời sự kiện xuất hiện dưới dạng một bề mặt hình cầu che khuất những gì có trong nó. Bởi vì ánh sáng có thể băng qua bề mặt này chỉ theo một đường – hướng vào trong – trái đất hoàn toàn màu đen.

Chân trời sự kiện của một lỗ đen có thể xuất hiện với kích thước lớn hơn nó 5 lần bởi vì lỗ đen bao bọc lấy không gian xung quang và bẻ cong ánh sáng. Hiệu ứng này, do nhà vật lý James Bardeen tại trường đại học Washington ở Seattle phát hiện ra năm 1973, tương tự cách một chiếc thìa lớn hơn khi được nhúng vào một cốc nước thủy tinh. Hơn nữa, Bardeen cũng chứng tỏ lỗ đen có thể được thấy như một “cái bóng” lớn hơn bởi trong một khoảng cách nhất định của chân trời sự kiện, phần lớn các tia ánh sáng bị uốn cong đến mức chúng đi theo quỹ đạo của lỗ đen.

Kính viễn vọng có kích thước tương đương trái đất

Để giải quyết vấn đề các chi tiết ở mức chân trời sự kiện, các nhà thiên văn học tính toán là họ có thể cần một kính viễn vọng có kích thước tương đương trái đất (độ phân giải của một kính viễn vọng có tỷ lệ cân xứng với kích thước của nó). Thật may mắn là một kỹ thuật có tên gọi là giao thoa (interferometry) có thể giúp các nhà khoa học làm được điều đó. Nó gồm nhiều kính thiên văn, nằm cách xa nhau và cùng hướng vào cùng một vật thể cùng lúc. Các kính viễn vọng hoạt động một cách hiệu quả như thể chúng là một phần của một kính viễn vọng lớn.

Các nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đã làm tinh tế kỹ thuật của mình, và trang bị thêm một số thiết bị quan sát. Cụ thể, một nhóm do Shep Doeleman, làm việc tại trường đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts, đã chỉnh lại Kính viễn vọng South Pole 10 m và ALMA ở Chile để nó có thể thực hiện những yêu cầu của nghiên cứu này.

Năm 2014, Falcke, Doeleman và các nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới cùng tham gia hình thành Nhóm hợp tác EHT. Họ đã thiết lập một chiến dịch quan sát trên khắp hành tinh vào năm 2017. Họ đã quan sát thấy Sagittarius A* và M87 vào tháng 4 khi các địa điểm của các đài quan sát đều cùng trong thời tiết đẹp để có thể quan sát một cách đồng thời.

Thiết bị thô, ở mức hàng petabyte, đã được lưu trong các ổ cứng và được chuyển qua đường hàng không, đường biển và đường bộ tới Viện nghiên cứu Thiên văn Radio Max Planck ở Đức và Đài quan sát Haystack ở Viện công nghệ Massachusetts.

Năm ngoái, trong khi dữ liệu vẫn còn đang được xử lý, Falcke nói với Nature là ông chờ đợi thực nghiệm sẽ đem lại một lượng thông tin phong phú về cấu trúc của các lỗ đen nhưng nó vẫn chưa là một bức ảnh đẹp mà mới chỉ là một “củ lạc xấu xí”, ông nói. “Hoặc có thể, bức hình đầu tiên sẽ chỉ là một vài đốm sáng. Nó thậm chí còn chưa thành hình một củ lạc”.

Nhóm hợp tác EHT còn triển khai một chiến lược quan sát khác trong năm 2018 – các phân tích này của dữ liệu vẫn còn đang thực hiện – nhưng cũng hủy một chiến dịch quan sát khác trong năm nay bởi các vấn đề về an ninh xảy ra tại gần một trong những địa điểm quan trọng nhất, Kính viễn vọng LMT 50m ở Puebla, Mexico. Họ lập kế hoạch tiếp tục thực hiện các quan sát khác thêm một lần mỗi năm, bắt đầu vào năm 2020.

Nhóm hợp tác hiện giờ đang trông chờ vào kinh phí để thiết lập một vị trí ở châu Phi, vốn sẽ để lấp khoảng trống của mạng lưới. Kế hoạch này là di dời một kính thiên văn Thụy Điển đã thôi hoạt động – từ Chile đến núi Gamsberg Table ở Namibia. Hiện giờ, mạng lưới này vẫn còn sẵn sàng có thêm hai đài quan sát khác ở Đức và vùng núi Alps thuộc Pháp.

Việc mở rộng mạng lưới EHT có thể đem lại chi tiết về những gì đang xảy ra bên trong các vùng trống – “thế giới bên trong các lỗ đen vận hành như thế nào, và liệu nó có như những gì chúng ta chờ đợi không”, David Sánchez Argüelles, một nhà vật lý tại Kính viễn vọng LMT 50m ở Puebla, Mexico Large Millimeter Telescope, nói.

Nhắc lại niềm vui khi có được bức ảnh lỗ đen, Doeleman nói: “Đây thực sự là một cảm giác tuyệt vời. Anh biết những gì tôi thực sự chờ đợi nhìn thấy? Một đốm sáng. Do đó thấy được cả vòng tròn ánh sáng có lẽ là kết quả đẹp nhất mà chúng tôi có.”