Bức ảnh ‘hố đen vũ trụ’ đã được chụp như thế nào?

Các nhà khoa học đã vén lên bức màn về những hình ảnh đầu tiên từng được chụp về một hố đen chân trời sự kiện. Trong một chuỗi các cuộc họp báo rất được mong đợi được tổ chức đồng thời trên khắp thế giới, nhóm nghiên cứu đứng sau Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện đã tiết lộ những phát hiện tron lần quan sát đầu tiên của họ. Vòng màu cam phát sáng cho thấy chân trời sự kiện của M87, trong cụm thiên hà Xử Nữ.

Chân trời sự kiện là gì?

Chân trời sự kiện là ranh giới lý thuyết xung quanh một hố đen nơi không ánh sáng hoặc bức xạ khác có thể thoát ra. Khi bất kỳ vật liệu nào ở quá sát mép hố, được gọi là chân trời sự kiện, các nguyên tử của nó bị xé toạc. Các hạt nhân biến mất dưới đường chân trời, các electron nhẹ hơn nhiều bị cuốn vào từ trường cực mạnh của hố đen và ném chúng xung quanh với tốc độ cao. Chuyển động xoắn này làm cho chúng giải phóng các photon, là nguồn phát xạ chính từ vật chất gần với hố đen.

Các quan sát từ Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện là một trong những đột phá khoa học quan trọng nhất của thế kỷ. Sự kiện ngày 10/4 tập trung vào kết quả lần chạy hoàn chỉnh đầu tiên của mạng lưới đài quan sát, được thực hiện vào năm 2017 thông qua sự hợp tác của các nhà khoa học vận hành tám đài quan sát vô tuyến.

Mặc dù hình ảnh có vẻ chưa đáng kể đối với một số người, nhưng những phát hiện này “sẽ biến đổi và nâng cao hiểu biết của chúng ta về các hố đen”, Giám đốc Quỹ Khoa học Quốc gia France Cordova cho biết khi bà bắt đầu sự kiện trực tiếp ở Washington DC.

Các nhà nghiên cứu cho biết; không có kính thiên văn đơn lẻ nào có thể cho hình ảnh một hố đen chi tiết như vậy. Nhưng, thông qua sự hợp tác quốc tế và một loạt các thiết bị, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một kính viễn vọng ảo lớn bằng chính Trái đất, cho phép chúng nhìn vào Messier 87, nằm cách xa 55 triệu năm ánh sáng, để nhìn thấy hố đen ở trung tâm của nó. Dữ liệu cần hơn “nửa tấn ổ cứng”, theo Dan Marrone, Phó giáo sư thiên văn học tại Đại học Arizona. Tám kính viễn vọng đã thu thập được 5 petabyte dữ liệu hoặc “tương đương với 5.000 năm mp3 hoặc cả đời selfies cho 40.000 người”.

“Bây giờ chúng tôi có bằng chứng trực quan của một hố đen, chúng ta biết rằng một hố đen tồn tại ở trung tâm của M87. Vật chất di chuyển xung quanh hố đen đang di chuyển với tốc độ ánh sáng. Bây giờ chúng ta có một cách hoàn toàn mới để khám phá các lỗ đen mà chúng ta chưa từng có trước đây, và giống như tất cả những khám phá mới, đây mới chỉ là sự khởi đầu”, Doeleman nói.

Dữ liệu đưa lý thuyết Einstein về những gì có thể là thử nghiệm nghiêm ngặt nhất của nó; kích thước và hình dạng của lỗ đen quan sát đều có thể được dự đoán bởi các phương trình tương đối tổng quát, cho thấy nó có dạng tròn. Mô phỏng (hàng trên cùng) được hiển thị ở trên cùng với hình ảnh của lỗ đen (hàng dưới cùng).

“Bây giờ chúng tôi có bằng chứng trực quan cho một lỗ đen”, Giám đốc EHT, ông Sheperd Doeleman nói. ‘Bây giờ chúng ta biết rằng một lỗ đen tồn tại ở trung tâm của M87. Vật chất di chuyển xung quanh lỗ đen đang di chuyển với tốc độ ánh sáng. 

Làm thế nào mà các nhà khoa học ghi lại được hình ảnh của một lỗ đen? Như giải thích trong đồ họa, phương pháp này dựa vào việc quan sát vật liệu xoáy quanh các cạnh trước khi rơi vào lỗ đen. Điều này nóng lên đến nhiệt độ cực cao, khiến nó phát ra ánh sáng rực rỡ xuất hiện dưới dạng vòng xung quanh lỗ đen.

Nhóm nghiên cứu đã làm việc trong nhiều năm để ghi lại hình bóng của một lỗ đen, còn được gọi chung là bóng lỗ đen.

“Thiên nhiên đã cho chúng ta thấy một cái gì đó mà chúng ta nghĩ là vô hình. Đây là một mục tiêu tìm kiếm lâu dài đối với chúng tôi và chúng tôi hy vọng rằng thế giới cũng sẽ được truyền cảm hứng từ nó”, Doeleman nói.

Dữ liệu đưa lý thuyết Einstein về những gì có thể là thử nghiệm nghiêm ngặt nhất của nó, kích thước và hình dạng của lỗ đen quan sát đều có thể được dự đoán bởi các phương trình tương đối tổng quát, cho thấy nó có dạng tròn.

“Điều chúng tôi hiện nay đã xác nhận là Thuyết tương đối rộng không thay đổi khi nhìn vào khối lượng lỗ đen”, Sera Markoff, giáo sư vật lý thiên văn lý thuyết tại Đại học Amsterdam nói. “Hố đen có khối lượng khổng lồ của M87 khiến nó trở thành một con quái vật ngay cả theo tiêu chuẩn lỗ đen siêu lớn. Về cơ bản chúng ta đang nhìn vào một lỗ đen siêu lớn gần bằng kích thước của hệ mặt trời của chúng ta”.

Các nhà nghiên cứu ước tính khối lượng của nó gấp khoảng 6,5 tỷ lần khối lượng mặt trời.

Trong khi các lỗ đen không thể nhìn thấy được tự nhiên, vật chất cực nóng xoáy vào giữa chúng tạo thành một vòng ánh sáng xung quanh chu vi để lộ miệng của vật thể dựa trên hình bóng của nó. Ranh giới này được gọi là chân trời sự kiện. Một mô phỏng của lỗ đen được hình dung cùng với hình ảnh tạo nên lịch sử mới trên.

Mareki Honma của Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản tiết lộ hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen trong cuộc họp báo ở Tokyo, Nhật Bản. Các cuộc họp báo đồng thời đã được tổ chức trên toàn thế giới vào thứ Tư.

Nỗ lực đã làm việc trong nhiều năm để thu được hình bóng của một lỗ đen, còn được gọi chung là bóng đen lỗ đen. Điều này được thực hiện bằng cách quan sát vật liệu siêu nóng xoáy xung quanh lỗ đen, như được giải thích trong hình trên.

Bước đột phá bổ sung hỗ trợ lớn cho lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein và giúp xác nhận sự hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn. Mô phỏng của lỗ đen được hiển thị ở hình trên.

Thông qua sự hợp tác quốc tế, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một kính viễn vọng ảo có kích thước lớn như chính Trái đất, cho phép chúng nhìn vào trung tâm của thiên hà Virgo A.

“Các thiên hà đang phát triển và chúng tôi nghĩ rằng thông qua các loại tương tác này khiến các lỗ đen định hình các cấu trúc lớn nhất trong các thiên hà và khiến chúng trông giống như ngày nay. Bằng cách nhìn vào hai lỗ đen với năng lượng cực kỳ đối nghịch, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các lỗ đen trong quá trình dài của lịch sử chúng ta”, Markoff nói.

Sự hợp tác quốc tế của Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện bao gồm các đài quan sát ở Nam Cực, Châu Âu, Nam Mỹ, Châu Phi, Bắc Mỹ và Úc – tất cả đều phải được hướng thẳng vào vật thể để đo hoạt động xung quanh.

Bây giờ, các nhà nghiên cứu có rất nhiều dữ liệu để tìm hiểu và vô số số liệu cần phân tích. Những đội riêng biệt sẽ phát triển các mô hình của riêng mình để so sánh với nhau ở quy mô lớn hơn.Cuối cùng, họ sẽ chuyển sang nghiên cứu Nhân Mã A, lỗ đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà của chúng ta.

Kính thiên văn chân trời sự kiện làm việc như thế nào ?

Sử dụng một ‘đài quan sát vô tuyến ảo’ được xây dựng ở tám điểm khác nhau trên toàn cầu, nhóm nghiên cứu đằng sau Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện đã dành vài năm qua để thăm dò Sagittarius A, lỗ đen siêu lớn ở trung tâm Dải Ngân hà và một điểm khác mục tiêu trong cụm thiên hà của Xử Nữ.

Các quan sát dựa trên một mạng lưới sóng vô tuyến cách đều nhau. Mạng lưới được đặt trên khắp thế giới – ở Nam Cực, Hawaii, Châu Âu và Mỹ. 

Những radio này dựa theo khẩu độ của kính viễn vọng có thể tạo ra độ phân giải cần thiết để chụp Nhân Mã A. Tại mỗi trạm sóng đều có ổ cứng lớn sẽ lưu trữ dữ liệu.

Những dữ liệu này sau đó được xử lý tại Đài thiên văn MIT Haystack ngoại ô Boston, Massachusetts.

Những nỗ lực không ngừng nghỉ của các nhà khoa học với mục đích để chụp được bóng của một lỗ đen, còn được gọi chung là bóng lỗ đen.

Đây sẽ là hình dạng tối của nó trên một nền sáng của ánh sáng đến từ vật chất xung quanh, bị biến dạng bởi độ cong không thời gian mạnh mẽ, nhóm nghiên cứu ETH giải thích.

Theo Tienphong