3 câu hỏi lớn mà hình ảnh lỗ đen không trả lời được

Một mạng lưới gồm các kính thiên văn vô tuyến trên khắp thế giới đã tạo ra được hình ảnh cận cảnh đầu tiên của cái bóng của một lỗ đen. Kết quả được công bố vào sáng ngày 10 tháng Tư vừa qua. Nhóm hợp tác, tên gọi là Kính thiên văn Chân trời Sự kiện, đã xác nhận hàng thập kỉ dự đoán về cách ánh sáng hành xử xung quanh những vật thể tăm tối này, và thiết đặt nền tảng cho một kỉ nguyên mới của thiên văn học lỗ đen.

“Từ con số không cho đến tuyệt vời, thật là tuyệt vời,” phát biểu của Erin Bonning, một nhà thiên văn vật lí và nhà nghiên cứu lỗ đen tại Đại học Emory, người không liên quan gì với nghiên cứu trên. “Thế mới nói, đó chính là cái tôi trông đợi,” bà nói.

Việc công bố đã được loan báo trước một tuần rưỡi. Không khí vô cùng hào hứng, song hầu như hoàn toàn không có chi tiết gì bất ngờ hay xuất hiện nền vật lí mới. Vật lí học không sụp đổ. Chẳng có chi tiết ngoài trông đợi nào của lỗ đen được hé lộ. Bản thân hình ảnh thu được hầu như khớp hoàn hảo với các hình minh họa lỗ đen mà chúng ta thường thấy trên tạp chí khoa học và báo chí đại chúng. Khác biệt lớn là nó nhòe hơn mà thôi.

Tuy nhiên, vẫn còn một vài câu hỏi quan trọng liên quan đến các lỗ đen chưa được giải quyết, Bonning cho biết.

Bên trái là ảnh chụp do Kính thiên văn tia X CHANDRA thực hiện đúng lúc khi Kính thiên văn Chân trời Sự kiện thực hiện bức ảnh của nó, cho thấy một vòi phun tương đối tính cắt qua thiên hà Virgo A. Bên phải là hình ảnh cái bóng lỗ đen thu từ Kính thiên văn Chân trời Sự kiện. Ảnh: NASA/Nhóm hợp tác

Làm thế nào các lỗ đen tạo ra các vòi phun vật chất khổng lồ vừa nóng vừa chuyển động nhanh?

Mọi siêu lỗ đen đều có khả năng nuốt lấy vật chất ở gần, hấp thụ phần lớn nó qua chân trời sự kiện của chúng, và khạc phần còn lại ra không gian bên ngoài ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng thành những tháp rực sáng mà các nhà thiên văn vật lí gọi là “các vòi phun tương đối tính”.

Và lỗ đen tại tâm của đám Virgo A (còn gọi là Messier 87) vốn trứ danh với các vòi phun vật chất ấn tượng của nó, phun trào vật chất và bức xạ ra khắp không gian. Các vòi phun vật chất tương đối tính của nó đồ sộ đến mức chúng có thể hoàn toàn thoát khỏi thiên hà xung quanh.

Và các nhà vật lí biết sơ bộ về cách điều này xảy ra: Vật chất gia tốc đến những tốc độ khủng khiếp khi nó rơi vào giếng hấp dẫn của lỗ đen, rồi một phần của nó thoát ra trong khi vẫn giữ được quán tính đó. Thế nhưng các nhà khoa học không thống nhất về các chi tiết của cách điều này xảy ra. Hình ảnh lỗ đen và các bài báo đi kèm của nó cũng chưa đưa ra được bất kì chi tiết nào.

Muốn giải quyết vấn đề, theo Bonning, chúng ta phải kết nối các quan sát Kính thiên văn Chân trời Sự kiện – nó chỉ bao quát một lượng không gian khá nhỏ – với các hình ảnh to hơn nhiều về các vòi phun vật chất tương đối tính.

Theo Bonning, mặc dù các nhà vật lí chưa có câu trả lời, song có cơ hội tốt rằng chúng sẽ xuất hiện sớm thôi – nhất là một khi nhóm hợp tác tạo ra các hình ảnh của mục tiêu thứ hai của nhóm: siêu lỗ đen Sagittarius A* tại tâm thiên hà của chúng ta, nó không tạo ra các vòi vật chất như lỗ đen của Virgo A. So sánh hai hình ảnh đó có thể sẽ đưa đến một số sáng tỏ.

Ảnh chụp Hubble năm 1998 cho thấy vòi phun tương đối tính thoát ra khỏi Virgo A. Ảnh: NASA

Thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử khớp với nhau như thế nào?

Hễ khi nào các nhà vật lí cùng nhau nói về một khám phá thật sự hào hứng, bạn có thể trông chờ nghe được ai đó đề xuất rằng nó có thể giúp giải thích “lực hấp dẫn lượng tử”.

Đó là vì lực hấp dẫn lượng tử là một thứ quan trọng chưa biết trong vật lí học. Trong khoảng một thế kỉ, các nhà vật lí đã cố gắng sử dụng hai bộ quy tắc khác nhau: Thuyết tương đối rộng bao quát những cái rất lớn như lực hấp dẫn, và cơ học lượng tử, bao quát những cái rất nhỏ. Vấn đề là, hai bộ quy tắc sách vở đó mâu thuẫn trực tiếp với nhau. Cơ học lượng tử không thể giải thích lực hấp dẫn, và thuyết tương đối không thể giải thích hành trạng lượng tử.

Các nhà vật lí hi vọng một ngày nào đó kết nối được hai lí thuyết thành một lí thuyết thống nhất lớn, có khả năng bao hàm một dạng lực hấp dẫn lượng tử nào đó.

Và trước ngày công bố hình ảnh lỗ đen, đã có suy luận cho rằng nó có thể bao hàm một đột phá nào đó về vấn đề trên. (Nếu các dự đoán của thuyết tương đối rộng không hiện rõ trong hình ảnh lỗ đen, thì nó sẽ là động tác đá quả bóng về phía trước.) Trong một bản tin ngắn từ Quỹ Khoa học Quốc gia, Avery Broderick, một nhà vật lí tại Đại học Waterloo ở Canada, và là cộng tác viên của dự án, đã đề xuất rằng có thể sẽ xuất hiện những câu giải đáp kiểu như thế.

Thế nhưng Bonning nghi ngờ về khẳng định đó. Hình ảnh này hoàn toàn chẳng có gì bất ngờ từ góc nhìn của thuyết tương đối rộng, thế nên nó chẳng đem lại nền vật lí mới có thể khép lại khe trống giữa hai lĩnh vực.

Tuy nhiên, chẳng có gì quá lố nếu người ta hi vọng có được câu trả lời từ loại quan sát này, bởi lẽ rìa của cái bóng của lỗ đen mang các lực tương đối tính vào những không gian tí hon, kích cỡ lượng tử.

“Chúng ta sẽ trông chờ chứng kiến lực hấp dẫn lượng tử rất, rất gần chân trời sự kiện hay rất, rất sớm trong vũ trụ xa xưa [khi vạn vật được gói ghém vào một không gian bé xíu],” Bonning nói.

Thế nhưng ở độ phân giải vẫn còn mờ nhạt của Kính thiên văn Chân trời Sự kiện, chúng ta vẫn chưa có khả năng tìm thấy những loại hiệu ứng đó, ngay cả với các nâng cấp đã lên kế hoạch trong thời gian sắp tới.

Các lí thuyết của Stephen Hawking có đúng như các lí thuyết của Einstein hay không?

Đóng góp lớn nhất từ buổi đầu sự nghiệp của nhà vật lí Stephen Hawking cho vật lí học là ý tưởng “bức xạ Hawking” – các lỗ đen không thật sự đen, mà phát ra những lượng nhỏ bức xạ theo thời gian. Kết quả ấy hết sức quan trọng, vì nó cho thấy một khi lỗ đen ngừng lớn lên, nó sẽ bắt đầu co lại rất chậm do thất thoát năng lượng.

Song Kính thiên văn Chân trời Sự kiện không xác nhận hay phủ nhận lí thuyết này, và không phải ai cũng trông đợi thế.

Những lỗ đen đồ sộ như lỗ đen trong đám Virgo A chỉ phát ra những lượng tối thiểu bức xạ Hawking so với kích cỡ tổng thể của chúng. Trong khi các thiết bị tiên tiến nhất của chúng ta nay có thể phát hiện ánh sáng rực rỡ của chân trời sự kiện của chúng, song vẫn ít có cơ hội các thiết bị sẽ dò ra được ánh le lói cực kì mờ nhạt của bề mặt của một siêu lỗ đen.

Những kết quả như thế có khả năng sẽ đến từ các lỗ đen tí hon nhất – những vật thể đoản thọ, tồn tại trên lí thuyết, nhỏ đến mức bạn có thể bao trọn toàn bộ chân trời sự kiện của chúng trong lòng bàn tay mình. Với cơ hội quan sát cận cảnh, và bức xạ dồi dào hơn sẵn có so với kích cở tổng thể của chúng, có lẽ rồi đây con người sẽ biết cách tạo ra hoặc tìm thấy một lỗ đen tí hon và phát hiện bức xạ của nó.

Vậy chúng ta thật sự học được gì từ hình ảnh này?

Thứ nhất, các nhà vật lí học được rằng Einstein lại đúng. Rìa của cái bóng, trong chừng mực Kính thiên văn Chân trời Sự kiện có thể nhìn thấy, là một vòng tròn hoàn hảo, y hệt như các nhà vật lí thế kỉ 20 làm việc với các phương trình Einstein của thuyết tương đối rộng từng dự đoán.

“Tôi không nghĩ sẽ có ai đó bất ngờ khi mà một lần nữa thuyết tương đối rộng vượt qua bài kiểm tra,” Bonning nói. “Nếu họ mà bước lên khán đài và tuyên bố thuyết tương đối rộng sụp đổ, thì tôi sẽ ngã té ghế ngay.”

Những hàm ý thực tiễn hơn là hình ảnh này cho phép các nhà khoa học đo chính xác khối lượng của siêu lỗ đen, nó ở cách chúng ta 55 triệu năm ánh sáng tại tâm của thiên hà Virgo A. Khối lượng của nó gấp 6,5 tỉ lần khối lượng Mặt Trời của chúng ta.

Đó là một món hời lớn, vì nó có thể làm thay đổi cách các nhà vật lí cân đo các siêu lỗ đen nằm tại tâm của những thiên hà khác, ở xa hơn hoặc nhỏ hơn.

Ngay lúc này, các nhà vật lí đã có một số đo chính xác về khối lượng của siêu lỗ đen tại tâm của Ngân Hà, vì họ có thể quan sát cách lực hấp dẫn của nó làm di chuyển từng ngôi sao trong vùng lân cận của nó.

Còn trong những thiên hà khác, các kính thiên văn của chúng ta không thể nhìn thấy chuyển động của từng ngôi sao. Thế nên các nhà vật lí vẫn bám lấy những phép đo thô hơn: Cách khối lượng của lỗ đen ảnh hưởng tới ánh sáng đến từ những lớp sao khác nhau trong thiên hà, hay cách khối lượng của nó ánh sáng tới ánh sáng đến từ những lớp chất khí khác nhau trôi nổi tự do trong thiên hà.

Thế nhưng các phép tính như thế đều không hoàn chỉnh. “Bạn phải lập mô phỏng một hệ rất phức tạp,” Bonning nói.

Và hai phương pháp rốt lại tạo ra các kết quả có phần khác nhau trong mỗi thiên hà mà các nhà vật lí quan sát. Nhưng chí ít đối với lỗ đen trong Virgo A, bây giờ chúng ta đã biết một phương pháp là đúng.

“Con số tính được bằng 6,5 tỉ lần khối lượng Mặt Trời của chúng tôi đáp ngay trên đỉnh của phép ước tính khối lượng từ [ánh sáng đến từ các sao],” theo lời Sera Markoff, một nhà thiên văn vật lí tại Đại học Amsterdam và là một cộng tác viên của dự án.

Điều đó không có nghĩa là các nhà vật lí cứ việc chuyển hết sang cách tiếp cận đó để đo khối lượng lỗ đen. Nói cho rõ thì nó đem lại một điểm dữ liệu quan trọng để tinh chỉnh các phép tính trong tương lai mà thôi.

Nguồn: LiveScience

Bài trước | Bài kế tiếp