Vào ngày 12 tháng 5 năm 2022 lúc 13:07 UT, hình ảnh trực quan đầu tiên về lỗ đen siêu nặng gần chúng ta nhất đã được nhóm Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT) công bố. Đó là một khoảnh khắc ly kỳ, sâu sắc.
Mặc dù không phải là bức ảnh lỗ đen đầu tiên được giới thiệu bởi sự hợp tác của EHT – giải thưởng đó thuộc về bức ảnh chụp lỗ đen trong M87 được giới thiệu lần đầu tiên vào tháng 4 năm 2019 – nó đã được săn đón từ lâu.
Vì không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra ngoài chân trời sự kiện của lỗ đen, nên chúng không thể nhìn thấy trực tiếp.
Thay vào đó, trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn học đã cố gắng theo dõi chúng bằng cách tìm kiếm những ngôi sao khổng lồ quay quanh một điểm không nhìn thấy được trong không gian.
Bây giờ chúng ta có hình ảnh của nó hay chính xác hơn là hình bóng của nó. ‘Động cơ trung tâm’ của Thiên hà của chúng ta tồn tại.
Trong năm đêm vào tháng 4 năm 2017, các nhà thiên văn học đã quan sát thấy Sgr A* (phát âm là “sadge-ay-star”) trong chòm sao Nhân Mã bằng tám kính viễn vọng vô tuyến, tại sáu địa điểm từ Arizona đến Nam Cực và Tây Ban Nha đến Hawaii.
Một phần của sự hợp tác EHT – một mạng lưới toàn cầu gồm các đĩa vô tuyến được đồng bộ hóa mang lại một kính viễn vọng ảo có kích thước bằng Trái đất với khẩu độ rộng khắp hành tinh – đó là kết quả của nhiều thập kỷ làm việc với sự tham gia của hơn 300 người và 80 tổ chức.
Sử dụng kỹ thuật giao thoa kế đường cơ sở rất dài, EHT mang lại khả năng phân giải cao nhất có thể từ bề mặt Trái đất, chụp các vật thể nhỏ bằng 20 micro giây cung trên bầu trời – tương đương với việc theo dõi một chiếc bánh rán trên Mặt trăng.
EHT là một mạng lưới toàn hành tinh gồm 11 kính viễn vọng vô tuyến đồng bộ.
1.Atacama Large Millimeter Array (ALMA), Chile
2. Thí nghiệm tìm đường Atacama (APEX), Chile
3. Kính thiên văn IRAM 30-m, Pico Veleta, Sierra Nevada, Tây Ban Nha
4. Kính viễn vọng James Clark Maxwell (JCMT), Hawaii, Mỹ
5. Mảng hạ milimet (SMA), Hawaii, Hoa Kỳ
6. Kính viễn vọng Millimet lớn (LMT), Alfonso Serrano, Mexico
7. Kính viễn vọng Nam Cực (SPT)
8. Kính thiên văn hạ milimet (SMT), Mount Graham, Arizona, Hoa Kỳ
9. Kính viễn vọng IRAM NOEMA, dãy núi Alps của Pháp
10. Kính thiên văn Greenland (GLT)
11. Kính viễn vọng 12 mét của Đại học Arizona, Kitt Peak, Arizona, Hoa Kỳ
Tiến sĩ Ziri Younsi từ Đại học College London là đồng lãnh đạo của nhóm làm việc Vật lý Cơ bản về EHT thế hệ tiếp theo (ngEHT).
Ông khẳng định đó là “một nhiệm vụ rất khó khăn so với việc chụp ảnh M87* nằm cách xa 53 triệu năm ánh sáng.”
Mặc dù Sgr A* ở gần hơn thế nhiều, nhưng nó tương đối nhỏ, với khối lượng bằng bốn triệu Mặt trời chen chúc trong một vùng nhỏ hơn quỹ đạo của Sao Thủy – nhỏ hơn 1.500 lần so với M87*, một thiên thể khổng lồ nặng 6,5 tỷ Mặt trời.
Để so sánh về kích thước, nếu M87* có kích thước bằng Sân vận động Wembley, thì Sgr A* sẽ là một chiếc bánh mì kẹp thịt ở quầy nhượng quyền.
Younsi nói: “Khí xoay quanh Sgr A* và M87* di chuyển với tốc độ như nhau – gần bằng tốc độ ánh sáng – nhưng nó quay quanh Sgr A* trong vài phút so với thời gian của M87*.
“Việc quan sát dòng khí hỗn loạn của Sgr A*, từng phút, đã tạo ra ‘chuyển động mờ’. Ngoài ra, chúng tôi đang nhìn xuyên qua toàn bộ mặt phẳng Thiên hà chứa đầy các ngôi sao, khí và bụi, tất cả đều thay đổi nhanh chóng theo các khoảng thời gian khác nhau.”
“Điều này tạo ra một màn hình sóng vô tuyến phân tán. Cố gắng nhìn thấy Sgr A* giống như đứng trong khu vườn của bạn trong một cơn mưa bão nhìn qua cửa sổ nhà bếp bốc hơi nghi ngút để quan sát chú chó con điên cuồng của bạn – lỗ đen siêu lớn của chúng ta – chạy vòng tròn đuổi theo đuôi của nó .
“Để so sánh, M87* giống như một chú cún con đang ngủ trưa trên hiên nhà ngập nắng.”
Nhóm EHT đã mất 5 năm để tìm ra tất cả. Đó là một nhiệm vụ khó khăn: các thành viên cộng tác chia thành nhiều nhóm, mỗi nhóm sử dụng các phương pháp độc lập để tái tạo lại hình ảnh từ dữ liệu.
Kết quả là không chắc chắn; nhiều hình ảnh lộ vòng một nhưng không phải tất cả.
Để giải quyết vấn đề nan giải này, các nhà khoa học đã sử dụng một số thuật toán máy tính phức tạp nhất từng được viết để mô phỏng các hình ảnh khác nhau, sau đó sử dụng chúng để kiểm tra kết quả mà các phương pháp tái tạo hình ảnh khác nhau của họ sẽ mang lại.
Cuối cùng, họ chắc chắn rằng mình đã phát hiện ra một chiếc nhẫn, và quả là một kết quả đột phá, ngoạn mục!
Tầm nhìn của EHT – sắc nét gấp ba triệu lần so với mắt người – được tiết lộ rằng Sgr A* có hình thái tổng thể tương tự một cách đáng kinh ngạc với M87*.
Có một vòng sáng mờ mờ – phát xạ vô tuyến từ các electron trong chất khí chuyển động xung quanh lỗ đen – bao quanh một tâm tối.
Lõi tối này là nơi ánh sáng, được hấp thụ bởi lực hấp dẫn cực lớn, đã lao qua chân trời sự kiện và không bao giờ được nhìn thấy nữa, nhưng để lại một ‘bóng tối’ về sự hiện diện của lỗ đen.
Khẩu vị của Sgr A* so với M87* chậm một cách đáng ngạc nhiên; nó đang chết đói một cách hiệu quả, sống sót nhờ những luồng khí thì thầm từ gió của các ngôi sao gần đó – có thể so sánh với việc con người nuốt một hạt gạo sau mỗi triệu năm.
Khí đi vào phát ra năng lượng chỉ bằng vài trăm lần so với Mặt trời của chúng ta, vì vậy ở khoảng cách vũ trụ ‘gần’ 27.000 năm ánh sáng, Sgr A* không thể được coi là sáng.
Phép đo cũng cho phép các nhà thiên văn đo kích thước chân trời sự kiện của Sgr A*, mà theo thuyết hấp dẫn của Einstein phải liên quan trực tiếp đến khối lượng của nó.
EHT đã đo chân trời sự kiện của Sgr A* kéo dài khoảng 51,8 micro giây cung, chính xác như lý thuyết đã dự đoán.
Nhưng vẫn còn một số bí ẩn mà lỗ đen của chúng ta có thể đang che giấu.
Sgr A* nằm nghiêng nên chúng ta có thể nhìn xuống đầu của nó và nó đang quay ngược chiều kim đồng hồ với tốc độ chưa được xác định theo cùng hướng với khí quay quanh nó.
Định hướng này có thể che giấu một phản lực tương đối tính. Và các nút sáng nằm rải rác trên chiếc nhẫn?
Đây có thể là những khu vực giàu khí đốt hoặc hiện vật từ quá trình quan sát – sẽ cần nhiều công việc hơn để xác định ý nghĩa của những điều này.
Trên thực tế, việc tạo ra hình ảnh mới chỉ là bước khởi đầu. Các chiến dịch quan sát tiếp theo đã tạo ra dữ liệu cũng cần phải phân tích.
Từ nay đến năm 2030, nhiều món ăn sẽ được thêm vào kính thiên văn để tạo ra ngEHT.
Điều này sẽ mở rộng tần số vô tuyến 230 GHz hiện tại lên 345 GHz, cải thiện độ phân giải hình ảnh lên 50%.
Các bộ phim sẽ cho thấy hình bóng của lỗ đen thay đổi như thế nào theo thời gian, M87* ‘chậm hơn’ mang đến khả năng ‘hàng đầu thế giới’.
Ai biết? Trong vòng một thập kỷ, chúng ta có thể thưởng thức các video về hoạt động của Sgr A*.
Như Tiến sĩ Younsi đã tuyên bố một cách hùng hồn, “các lỗ đen đóng vai trò cơ bản trong sự hình thành của Vũ trụ, Thiên hà của chúng ta và mọi thiên hà khác.
“Chúng là nền tảng, là neo hấp dẫn giữ mọi thứ lại với nhau nên thật đáng chú ý là chúng ta thực sự có thể nhìn thấy chúng bây giờ”.
Thực sự đáng chú ý, và còn rất nhiều khoa học nữa sẽ đến!
Kỹ thuật giao thoa kế đường cơ sở rất dài kết hợp dữ liệu từ các cặp kính viễn vọng EHT để phát hiện cả cấu trúc quy mô nhỏ và quy mô lớn của mục tiêu.
Khoảng cách khác nhau giữa các kính viễn vọng – được gọi là đường cơ sở – có nghĩa là chúng nhận được tín hiệu từ lỗ đen vào những thời điểm hơi khác nhau, có thể đo được bằng đồng hồ rất chính xác.
Khi hành tinh quay, tầm nhìn của mỗi kính thiên văn về trung tâm Thiên hà thay đổi, cũng như sự phân tách rõ ràng của các đĩa khi nhìn từ lỗ đen.
Những thay đổi như vậy giúp ‘điền vào’ ăng-ten ảo. Để biên dịch hình ảnh, cần có nhiều đường cơ sở khác nhau và càng nhiều càng tốt.
Khối lượng khổng lồ dữ liệu thô được ghi (3,5 petabyte, tương đương với 750.000 DVD) từ mỗi trang EHT được lưu trữ trên các ổ cứng chứa đầy khí heli hiệu suất cao và được vận chuyển bằng máy bay vận tải thương mại đến các siêu máy tính chuyên dụng cao được gọi là bộ tương quan tại Viện Max Planck cho Thiên văn vô tuyến (MPIfRI) ở Bon, Đức và Đài thiên văn Haystack của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Massachusetts, Hoa Kỳ, nơi nó được kết hợp và hiệu chỉnh trong vòng một phần nghìn tỷ giây.
Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 7 năm 2022 của Tạp chí BBC Sky at Night .