Bằng chứng tận mắt đầu tiên của một lỗ đen và “cái bóng” của nó đã được công bố vào hôm 10 tháng Tư vừa qua bởi các nhà thiên văn làm việc với Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT). Đó là hình ảnh của siêu lỗ đen nằm tại tâm của thiên hà khổng lồ Messier 87, trong đám thiên hà Virgo. Nằm cách Trái Đất 55 triệu năm ánh sáng, lỗ đen ấy có khối lượng gấp 6,5 tỉ lần khối lượng Mặt Trời, với sai số là 0,7 tỉ khối lượng Mặt Trời. Mặc dù các lỗ đen vốn dĩ vô hình do mật độ và trường hấp dẫn cực độ của chúng, song các nhà nghiên cứu đã xoay sở được cách thu lấy các hình ảnh ở gần điểm vật chất và năng lượng không còn thoát ra được nữa – cái gọi là chân trời sự kiện.
Hình ảnh lỗ đen tại tâm của thiên hà Messier 87 cho thấy hiệu ứng của đĩa bồi tụ cũng như của lỗ đen.
“Chúng tôi đang giới thiệu với nhân loại bức ảnh đầu tiên của loài người về một lỗ đen – một cánh cửa một chiều đi ra khỏi vũ trụ của chúng ta,” phát biểu của Sheperd Doeleman thuộc Đài thiên văn Haystack ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), nhà thiên văn lãnh đạo nhóm EHT. “Đây là một bước ngoặc trong thiên văn học, một thành tựu khoa học chưa có tiền lệ được thực hiện bởi một đội gồm hơn 200 nhà nghiên cứu.” Doeleman cho biết kết quả này “mới cách đây một thế hệ còn được cho là không thể nào”. Tuy nhiên, các đột phá về công nghệ và việc hoàn thiện các kính thiên văn vô tuyến mới trong thập niên vừa qua đã cho phép các nhà nghiên cứu ngày nay “nhìn thấy cái không thể nhìn thấy”.
Các kết quả được công bố trong sáu bài báo trên số đặc biệt của tờ Astrophysical Journal Letters, và được giới thiệu tại nhiều buổi họp báo trên khắp thế giới hôm 10 tháng Tư 2019.
Các đĩa chất khí phát sáng
Các siêu lỗ đen được cho là có mặt tại tâm của đa số các thiên hà trong vũ trụ, và các nhà thiên văn rất muốn giải mã các đặc tính chủ yếu của chúng – ví dụ như lực hấp dẫn cực độ của chúng ảnh hưởng như thế nào đến không-thời gian xung quanh chúng, và cách một số lỗ đen nạp các vòi vật chất khổng lồ tuôn tràn từ các thiên hà chứa chúng. Một đặc tính then chốt của mỗi lỗ đen là chân trời sự kiện của nó – ranh giới tại đó kể cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi lực hút hấp dẫn của nó, vì vận tốc cần thiết để thoát ra sẽ lớn hơn tốc độ ánh sáng, yêu cầu bị cấm bởi thuyết tương đối rộng của Einstein. Và trong khi thuyết tương đối đã trải qua nhiều phép kiểm tra, các nhà nghiên cứu vẫn muốn biết xem nó đúng đến mức nào tại “nền tảng minh chứng tối hậu” – rìa của một lỗ đen.
Dù có tên gọi như thế, song các lỗ đen không hoàn toàn đen. Chất khí và bụi bị bắt giữ xung quanh chúng trong một đĩa bồi tụ cô đặc đến mức nó thường nóng lên tới hàng tỉ độ ngay trước khi vật chất cuối cùng bị nuốt chửng vào lỗ đen, khiến chúng phát sáng rực rỡ. Thật vậy, thuyết tương đối rộng còn dự đoán rằng mỗi lỗ đen sẽ có một “cái bóng” xung quanh nó, đo chừng gấp năm lần chân trời sự kiện. Cái bóng ấy nhận được quan tâm nhiều vì kích cỡ và hình dạng của nó chủ yếu phụ thuộc vào khối lượng và – với chừng mực kém hơn – vào spin của lỗ đen, do đó làm bộc lộ các tính chất cố hữu của nó.
“Nếu chìm trong một vùng sáng, ví dụ như đĩa chất khí phát sáng, thì chúng ta kì vọng mỗi lỗ đen tạo ra một vùng tối giống như một cái bóng – cái đã được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng của Einstein song chúng ta chưa từng thấy trước đây,” theo lời Heino Falcke tại Đại học Radboud ở Hà Lan, người đang ngồi ghế chủ tịch hội đồng khoa học EHT. “Cái bóng này, do sự bẻ cong vì hấp dẫn và sự bắt giữ ánh sáng bởi chân trời sự kiện gây ra, làm hé lộ rất nhiều về bản chất của những vật thể quyến rũ này.”
Một quả cam trên Mặt Trăng
Để quan sát trực tiếp lỗ đen tại tâm của Messier 87 – đặt tên là M87* – các nhà thiên văn cần một chiếc kính thiên văn có độ phân giải góc sánh được với chân trời sự kiện của nó, đường kính vào cỡ hàng chục micro giây cung. Nhưng để thu được độ phân giải như thế với một chiếc kính thiên văn bình thường – nhiệm vụ tựa như việc tìm thấy một quả cam trên bề mặt Mặt Trăng – đòi hỏi một cái đĩa kích cỡ bằng hành tinh của chúng ta, đó rõ ràng là điều bất khả thi.
Thay vậy, các nhà thiên văn EHT sử dụng kĩ thuật thiên văn vô tuyến giao thoa kế đường cơ sở rất dài (VLBI). Nó thu nhặt các tín hiệu vô tuyến từ một nguồn phát thiên văn bởi một mạng lưới gồm từng chiếc kính thiên văn vô tuyến và các ma trận kính thiên văn phân bố trên khắp toàn cầu. EHT, hoạt động lần đầu tiên vào năm 2007, gồm tám đĩa vô tuyến ở sáu vị trí khác nhau trên khắp toàn cầu, thảy đều hoạt động ở bước sóng 1,3 mm. Các kính thiên văn này bao gồm Ma trận Mili Mét/Hạ Mili Mét Lớn Atacama (ALMA) ở Chile, Kính thiên văn Nam Cực (SPT) ở Nam Cực, và kính thiên văn 30 m IRAM ở Tây Ban Nha. Khoảng cách giữa từng kính thiên văn EHT – gọi là “đường cơ sở” – biến thiên từ 160 m đến 10.700 km.
Kính thiên văn Chân trời Sự kiện kết hợp tín hiệu của tám đài thiên văn vô tuyến trong đó có Ma trận Mili Mét/Hạ Mili Mét Lớn Atacama (ALMA) ở Chile, Kính thiên văn Nam Cực (SPT) ở Nam Cực. Các đường liền nét thể hiện các kính thiên văn liên quan đến quan sát M87*, còn đường đứt nét là các kính thiên văn dùng để chạy hiệu chỉnh. Ảnh: ApJL
Các tín hiệu nhận được tại mỗi đĩa kính thiên văn trong mạng lưới được gắn nhãn với một tem thời gian rất chính xác, thông thường tại mỗi địa điểm đều sử dụng đồng hồ nguyên tử. Mỗi kính thiên văn tạo ra chừng 350 terabyte mỗi ngày, chúng được lưu trữ trên các đĩa cứng hiệu suất cao chứa đầy helium. Sau đó dữ liệu được lọc tương quan và dùng để dựng nên một hình ảnh hoàn chỉnh bởi một siêu máy tính đặt tại Viện Thiên văn Vô tuyến Max Planck ở Bonn, Đức, và Đài thiên văn MIT Haystack ở Mĩ. Quá trình này EHT thành thiết bị có độ phân giải cao nhất trên Trái Đất, có khả năng chụp ảnh phân giải gấp 2000 lần Kính thiên văn Vũ trụ Hubble và có khả năng phân giải những chi tiết nhỏ cỡ 20 micro giây cung.
Một “bước ngoặc” thiên văn học
Vì kích cỡ của mỗi lỗ đen tỉ lệ với khối lượng của nó, nên lỗ đen có khối lượng càng lớn, thì cái bóng của nó càng lớn. Nhờ khối lượng cực khủng của nó và tương đối ở gần, M87* được dự đoán là một trong những lỗ đen lớn nhất quan sát được từ Trái Đất – khiến nó là một mục tiêu hoàn hảo cho EHT. Các nhà thiên văn đã quan sát M87* vào các ngày 5, 6, 10, và 11 tháng Tư 2017; họ cho hệ thống thực hiện một loạt quét từ ba đến bảy phút mỗi ngày.
Bây giờ các quan sát EHT độc lập này được gom lại thành hình ảnh đầu tiên của một lỗ đen bao gồm cái bóng của nó, làm bộc lộ một cấu trúc dạng vành với một vùng tối ở giữa. Đường kính của cái vành là 42 micro giây cung với bề rộng chưa tới 20 micro giây cung. Bằng cách so sánh hình ảnh trên với các mô hình lí thuyết ví dụ như các mô phỏng từ thủy động lực học tương đối tổng quát, thì hình ảnh quan sát thấy là phù hợp với các kì vọng cho cái bóng của một lỗ đen Kerr – một kiểu lỗ đen không tích điện và quay xung quanh trục trung tâm của nó – theo dự đoán của thuyết tương đối rộng.
Các nhà nghiên cứu đã có thể suy luận ra khối lượng của M87* là gấp 6,5 tỉ lần khối lượng Mặt Trời. Các ước tính trước đây – dựa trên các mô phỏng cũng như các quan sát quang phổ của thiên hà do Kính thiên văn Vũ trụ Hubble thực hiện – biến thiên từ 3,5 đến 7,7 tỉ lần khối lượng Mặt Trời. Các nhà khoa học EHT còn suy luận ra bán kính của chân trời sự kiện là 3,8 micro giây cung. Họ cũng tìm thấy chuyển động quay của lỗ đen này là theo chiều kim đồng hồ, và spin của nó hướng ra xa chúng ta. Độ sáng trong phần dưới của ánh là do chuyển động tương đối của vật chất theo chiều kim đồng hồ nhìn từ phía chúng ta, vậy nên nó đang chuyển động về phía chúng ta.
Từ trái sang phải: Các quan sát EHT của M87* thực hiện hôm 6 tháng Tư 2017; một mô phỏng của M87*; mô phỏng kết hợp với độ phân giải của Kính thiên văn Chân trời Sự kiện. Ảnh: Akiyama và ApJL
“Một khi chúng ta chắc chắn đã chụp ảnh được cái bóng [của lỗ đen], chúng ta có thể so sánh các quan sát của mình với các mô hình máy tính mở rộng có xét đến vật lí học không gian cong, vật chất quá nhiệt và các từ trường mạnh. Nhiều chi tiết của hình ảnh quan sát thấy ăn khớp với các dự đoán lí thuyết của chúng ta đến bất ngờ,” phát biểu của Paul Ho, giám đốc Đài thiên văn Đông Á và là thành viên quốc tế đội EHT. “Điều này khiến chúng ta cam chắc về cách lí giải các quan sát của mình, trong đó có ước tính của chúng ta về khối lượng của lỗ đen.”
Ngoài việc làm sáng tỏ các đặc tính của M87*, EHT còn vén màn che đối với chân trời sự kiện, cho thấy ngày nay người ta có thể nghiên cứu thực nghiệm đối với vùng này thông qua các sóng điện từ. Theo các nhà nghiên cứu, điều này đã biến chân trời sự kiện từ một “khái niệm toán học” thuần túy thành một “thực thể vật lí”.
“Việc tạo ra được các hình ảnh vô tuyến với độ phân giải có thể sánh với kích cỡ góc của chân trời sự kiện lỗ đen, lần đầu tiên, là một bước đột phá quan trọng trong ngành thiên văn vật lí năng lượng cao,” phát biểu của nhà thiên văn vật lí Rob Fender tại Đại học Oxford, người không liên quan gì với nhóm EHT. Fender cho biết thêm rằng các quan sát EHT là cái nhìn tốt nhất từ trước đến nay của chúng ta vào vùng không gia nơi vòi vật chất của lỗ đen hình thành. “Vùng ấy ở gần lỗ đen, ngay bên trên chân trời sự kiện, nó là vị trí của nhiều hiện tượng thiên văn vật lí cực độ nhất trong vũ trụ của chúng ta kể từ Big Bang,” ông nói. “Những vòi này mang lượng năng lượng khổng lồ ra khỏi lỗ đen ở giữa, thông qua các quá trình vẫn chưa được hiểu rõ.”
Đây không phải là kết quả đầu tiên thu được từ EHT. Vào năm 2012, các nhà khoc học làm việc với ma trận EHT đã làm chủ được việc quan sát, lần đầu tiên, căn cứ của vòi vật chất phát ra từ thiên hà M87. Công trình ấy ấn định rằng lỗ đen tại tâm của M87 đang quay tròn và rằng đĩa bồi tụ chuyển động theo chiều spin. Ba năm sau đó, các nhà nghiên cứu EHT đã đo được bằng chứng trực tiếp đầu tiên của từ trường ở gần chân trời sự kiện của Sagittarius A* - lỗ đen nằm tại tâm của thiên hà Ngân Hà của chúng ta, cách chúng ta khoảng 26.000 năm ánh sáng nhưng với khối lượng nhỏ hơn M87* chừng ba bậc độ lớn. Bằng cách nghiên cứu sự phân cực tròn thuận hay nghịch của các sóng vô tuyến tới, họ đã có thể suy ra chiều phân cực thẳng lần theo từ trường và tìm thấy rằng nó còn biến đổi trên cơ sở hằng ngày và làm bộc lộ cơ chế động lực học cực độ tại tâm của lỗ đen.
Lúc này các nhà thiên văn hi vọng tiến hành thêm các quan sát về M87* để suy luận ra hình dạng và độ sâu của vùng bóng một cách chính xác hơn. Họ còn hi vọng bổ sung thêm kính thiên văn vào ma trận để cho phép đem lại các hình ảnh phân giải cao hơn. Ngoài M87*, đội EHT còn nỗ lực chụp hình ảnh đầu tiên của Sagittarius A*. Thế nhưng lỗ đen này khó phân giải hơn nhiều – dù rằng nó ở gần hơn – vì nó hoạt động hơn so với M87*, nó biến đổi trên cấp độ hàng phút chứ không phải hàng ngày.
Các kết quả được công bố trên tạp chí Astrophysical Journal Letters.
Nguồn: physicsworld.com
