10 sự thật khoa học từ ảnh chụp lỗ đen

Tương lai của Bộ sưu tập các bức ảnh lỗ đen có vẻ đầy sáng sủa

Từ năm 1783, nhà khoa học John Michell tại Cambridge đã cho rằng: Một vật thể đủ đậm đặc lớn trong một không gian đủ nhỏ thì có thể hút được cả ánh sáng và ngăn không cho nó thoát ra khỏi. Sau hơn một thế kỷ, Karl Schwarzschild đã tìm ra lời giải cho Thuyết tương đối rộng (General Relativity, GR) của Einstein, dự đoán kết quả tương tự - đó chính xác là lỗ đen. Cả Michell và Schwarzschild đều dự báo mối liên hệ rõ ràng giữa chân trời sự kiện - tức bán kính của khu vực mà ánh sáng không thể thoát ra nổi - với khối lượng lỗ đen.

File

Suốt 103 năm kế đó, người ta chưa thể kiểm chứng được điều này cho dù đã có hiểu biết khá nhiều về lỗ đen. Chỉ tới khi các nhà khoa học lần đầu tiên trong lịch sử đã chụp được bức ảnh về chân trời sự kiện đã làm thay đổi nhiều điều. Rất nhiều câu hỏi giờ đây đã được sáng tỏ. Thuyết của Einstein lại đúng!  

Ngày 10/4/2019, Event Horizon Telescope Collaboration đã giới thiệu bức ảnh chụp chân trời sự kiện lỗ đen trong thiên hà Messier 87: thiên hà lớn nhất và đậm đặc nhất trong siêu tích tụ thiên hà địa phương chúng ta. Đường kính góc của chân trời sự kiện này là 42 microarcseconds (1 microarcsecond = 1/360 x 10(-8) độ). Có nghĩa rằng để phủ kín bầu trời phải cần tới 23 x 1015 (23 triệu tỷ) lỗ đen có kích thước như vậy.

Cách chúng ta 55 triệu năm ánh sáng, lỗ đen này có khối lượng ước tính gấp 6,5 tỷ lần khối lượng Mặt trời. Nó tương ứng với kích cỡ lớn hơn quỹ đạo Sao Diêm Vương (Pluton) quanh Mặt trời. Nếu không có lỗ đen, ánh sáng sẽ cần khoảng gần một ngày để đi qua đường kính chân trời sự kiện.  

Do Event Horizon Telescope (EHT) có độ phân giải đủ để nhìn thấy được lỗ đen này; nó bức xạ mạnh các sóng radio; rất ít bức xạ sóng radio trên phông để có thể cản trở tín hiệu - nên mới có thể chụp được bức ảnh đầu tiên của lỗ đen. Từ đấy rút ra 10 nhận định khoa học sâu sắc:  

1. Thực sự đây là lỗ đen - đúng như dự đoán của GR

Dù GR đã vượt qua mọi kiểm chứng có thể, các nhà vật lý không hề thiếu những mở rộng, thay đổi hoặc thay thế khả dĩ. Nếu ta thấy bài báo có tiêu đề “Nhà lý thuyết mạnh dạn khẳng định rằng lỗ đen không tồn tại” hoặc “Lý thuyết mới về hấp dẫn phủ nhận Einstein” - có thể đoán rằng không ít người tìm kiếm các thuyết thay thế. Việc quan sát được lỗ đen này sẽ giúp loại bỏ một lượng lớn chúng.  

Giờ đây, chúng ta biết rằng đó là lỗ đen chứ không phải gì khác. Rằng chân trời sự kiện là hiện hữu và đó không phải là một điểm kỳ dị trần trụi. Rằng chân trời sự kiện - đó không phải là bề mặt cứng, bởi vì vật chất rơi vào phải tạo ra dấu ấn hồng ngoại. Tất cả những quan sát này hoàn toàn tương ứng với GR.  

Tuy nhiên, phạm vi các quan sát của EHT này không nói gì về vật chất tối, lý thuyết cải tiến về hấp dẫn, hấp dẫn lượng tử hoặc về những gì ẩn sau chân trời sự kiện.  

2. Động lực học hấp dẫn của các ngôi sao đưa ra những ước tính khá tốt về khối lượng của lỗ đen; còn các quan sát về khí là không thể

Có vài cách khác nhau để đo khối lượng của lỗ đen. Có thể hoặc sử dụng các phép đo những ngôi sao - chẳng hạn như quỹ đạo riêng của các ngôi sao gần lỗ đen trong thiên hà của chúng ta hoặc các vạch hấp thụ sao trong M87 - sẽ cho biết khối lượng hấp dẫn; hoặc những phép đo các phát thải khí chuyển động xung quanh lỗ đen trung tâm.  

Đối với cả thiên hà của chúng ta lẫn M87, hai ước tính này rất khác nhau: tính toán về hấp dẫn cao hơn 50-90% so với tính toán về khí. Với M87, các phép đo khí cho thấy lỗ đen có khối lượng gấp khoảng 3,5 tỷ lần mặt trời, trong khi các phép đo hấp dẫn - gần 6,2 - 6,6 tỷ lần. EHT cho biết, lỗ đen có khối lượng cỡ 6,5 tỷ lần Mặt trời; có nghĩa là động lực học hấp dẫn là chỉ số tuyệt vời về khối lượng của lỗ đen, còn những kết luận về khí lại thiên về giá trị thấp hơn nhiều. Đây là cơ hội để xem xét lại những giả định vật lý thiên văn về khí quỹ đạo.

3. Đây là một lỗ đen quay và trục quay của nó chỉ hướng rời xa Trái đất

Ngoài quan sát về chân trời sự kiện và bức xạ radio xung quanh nó, luồng khối vận động quy mô cực lớn và những bức xạ radio mở rộng vẫn được đo đạc bởi các đài quan sát khác, EHT xác định được rằng đó là lỗ đen kiểu Kerr (quay) và không phải là lỗ đen kiểu Schwarzschild (không quay).  

Không chỉ bằng một tính năng đơn giản của lỗ đen được nghiên cứu lại có thể xác định được bản chất này. Phải xây dựng các mô hình lỗ đen và vật chất bên ngoài nó, sau đó phát triển chúng để hiểu được những gì đang xảy ra. Khi tìm kiếm các tín hiệu khả dĩ xuất hiện, ta có cơ hội giới hạn chúng sao cho phù hợp với kết quả của mình. Lỗ đen này là quay và trục quay lệch khoảng 17 độ so với Trái đất.

4. Cuối cùng, đã xác định được rằng xung quanh lỗ đen có vật chất tương ứng với các đĩa và luồng bồi tụ

Từ quan sát quang học, chúng ta đã biết rằng lỗ đen trung tâm của M87 là một khối phản lực và nó cũng phát xạ dải sóng radio lẫn X-quang. Loại bức xạ này không thể chỉ từ những ngôi sao hoặc photon: phải có vật chất, cũng như các electron. Bằng cách gia tốc electron trong từ trường, có thể có được bức xạ radio đặc trưng mà chúng ta đã thấy: bức xạ đồng bộ electron.  

Điều này cũng đòi hỏi khối lượng kinh dị công việc mô hình hóa. Xử lý những thông số khác nhau của mọi mô hình khả dĩ, sẽ biết được rằng các quan sát này không chỉ đòi hỏi những luồng bổ sung để giải thích các kết quả về sóng radio, mà còn nhất thiết phải dự đoán những kết quả về sóng phi radio, kiểu như bức xạ X-quang. Những quan sát quan trọng nhất được thực hiện không chỉ bởi EHT, mà còn bởi các đài quan sát khác như kính viễn vọng Chandra dùng tia X. Các luồng bồi tụ cần phải nóng lên - mà phổ bức xạ từ tính của M87 đã minh chứng - tương ứng với các electron được gia tốc tương đối tính trong từ trường.

5. Vành đĩa nhìn thấy được cho biết lực hấp dẫn và hiệu ứng thấu kính hấp dẫn xung quanh lỗ đen trung tâm - một lần nữa GR đã được kiểm chứng

Vành đĩa này trong dải radio không tương ứng với chính chân trời sự kiện và không tương ứng với vành đĩa của các hạt quay. Đây cũng không phải quỹ đạo tròn ổn định nhất của lỗ đen. Vành đĩa này được sinh ra từ khối cầu photon thấu kính hấp dẫn - đường đi của chúng bị uốn cong bởi lực hấp dẫn của lỗ đen trên quãng đường tới mắt của chúng ta.  

Ánh sáng này bị uốn cong thành một khối cầu lớn hơn so với có thể mong đợi nếu như lực hấp dẫn không quá mạnh. Như Event Horizon Telescope Collaboration đã công bố: “Chúng tôi đã làm rõ rằng hơn 50% tổng luồng được tính bằng arcseconds (1 arcsecond = 1/3.600 độ) là đi ngang qua gần đường chân trời sự kiện và bức xạ này bị triệt tiêu mạnh khi đi vào khu vực đó - giảm khoảng 10 lần - đó là bằng chứng trực tiếp về vùng tối được dự báo của lỗ đen”.

Thuyết tương đối rộng của Einstein thêm một lần nữa được chứng minh là đúng đắn.

6. Các lỗ đen - là những hiện tượng động lực học, bức xạ của chúng thay đổi theo thời gian

Với khối lượng cỡ 6,5 tỷ lần Mặt trời, ánh sáng sẽ mất khoảng một ngày để vượt qua chân trời sự kiện lỗ đen. Điều này đã đặt ra những khung thời gian một cách khá thô mà trong đó chúng ta có thể trông đợi để thấy những thay đổi và những nhiễu động của bức xạ được quan sát bởi EHT.  

Quan sát kéo dài vài ngày cũng cho phép khẳng định rằng cấu trúc của bức xạ phát ra là thay đổi theo thời gian như dự báo. Dữ liệu năm 2017 có loạt 4 đêm quan sát liên tục. Sau khi nhìn vào 4 hình ảnh này, có thể trực quan thấy rằng 2 hình ảnh đầu có những tính chất tương tự nhau và 2 hình ảnh cuối cũng thế. Song đã có sự khác biệt đáng kể giữa hình ảnh đầu tiên và hình ảnh cuối cùng. Tính chất bức xạ xung quanh lỗ đen trong M87 là thực sự thay đổi theo thời gian.

7. EHT trong tương lai sẽ tiết lộ nguồn gốc vật lý của những bùng phát của lỗ đen

Cả trong phổ X-quang lẫn trong phổ radio, lỗ đen trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta phát ra các bùng phát bức xạ ngắn hạn. Dù hình ảnh đầu tiên về lỗ đen đã hiển thị một vật thể siêu trọng trong M87, nhưng lỗ đen Sagittarius A* (Nhân Mã A*) trong thiên hà của chúng ta cũng lớn cỡ vậy, có điều nó biến đổi nhanh hơn.  

So với khối lượng của M87 (6,5 tỷ lần khối lượng Mặt trời) khối lượng của Nhân Mã A* chỉ cỡ 4 triệu lần Mặt trời - bằng 0,06% so với khối lượng ban đầu. Có nghĩa rằng, các biến động sẽ quan sát được ngay chỉ trong vòng một phút. Những tính năng của lỗ đen sẽ thay đổi nhanh chóng và khi các bùng phát mà xuất hiện thì sẽ có thể khám phá được bản chất của lỗ đen.  

Làm thế nào mà các bùng phát lại liên quan tới nhiệt độ và độ sáng của bức tranh sóng radio đã nhìn thấy được? Liệu có diễn ra sự tái kết từ tính như trong phát thải khối lượng vành khuyên của Mặt trời hay không? Có gì đó bị phá nổ trong luồng bồi tụ hay không? Nhân Mã A* bùng phát hàng ngày, vì vậy có thể liên kết mọi tín hiệu cần thiết với những sự kiện đó. Nếu các mô hình và quan sát cũng tốt như với M87, có thể xác định điều gì dẫn đến những sự kiện này và thậm chí có thể tìm ra những gì đã rơi vào lỗ đen và hình thành nên chúng.

8. Dữ liệu về phân cực sẽ phát lộ việc liệu các lỗ đen có từ trường riêng hay không

Mặc dù tất cả chúng ta đều rất vui mừng khi nhìn thấy bức ảnh đầu tiên về chân trời sự kiện lỗ đen, nhưng điều quan trọng đó là phải hiểu rằng sẽ sớm có bức tranh hoàn toàn độc đáo: sự phân cực ánh sáng phát ra từ lỗ đen. Do bản chất điện từ của ánh sáng, sự tương tác của nó với từ trường sẽ để lại dấu ấn phân cực đặc biệt lên đó, cho phép chúng ta tái tạo lại từ trường của lỗ đen cũng như cách nó thay đổi theo thời gian.  

Vật chất bên ngoài chân trời sự kiện - về cơ bản là chuyển động của các hạt tích điện (như electron) - tạo ra từ trường của chính nó. Các mô hình chỉ ra rằng những đường trường lực có thể duy trì hoặc trong các luồng bồi tụ, hoặc đi qua chân trời sự kiện - tạo thành “mỏ neo” riêng đặc thù trong lỗ đen. Có mối liên hệ giữa các từ trường này, sự bồi tụ và sự phát triển của lỗ đen, cũng như các bùng phát. Không có những trường đó, vật chất trong luồng bồi tụ không thể mất đi động lượng góc của mình và rơi vào được chân trời sự kiện.

Dữ liệu về phân cực - nhờ lực của trực quan phân cực - sẽ cho chúng ta biết về nó. Chúng ta đã có được dữ liệu, nhưng vẫn phải còn thực hiện các phân tích đầy đủ.

9. Việc cải tiến EHT sẽ cho biết sự hiện diện của những lỗ đen khác gần các trung tâm thiên hà

Khi hành tinh quay quanh Mặt trời không chỉ do Mặt trời có tác dụng hấp dẫn đối với hành tinh. Luôn có phản ứng bình đẳng và ngược lại: hành tinh đó cũng ảnh hưởng lên mặt trời. Tương tự, khi một vật thể quay xung quanh lỗ đen, nó cũng gây áp lực hấp dẫn lên lỗ đen. Với sự hiện diện của cả một khối lượng gần trung tâm các thiên hà - và theo lý thuyết thì có vô số lỗ đen vô hình - lỗ đen trung tâm phải “run rẩy” theo đúng nghĩa đen của nó, sẽ bị kéo bởi chuyển động Brown của các vật thể xung quanh.  

Khó khăn với phép đo này là cần có điểm tham chiếu để hiệu chỉnh vị trí của ta so với vị trí của lỗ đen. Kỹ thuật đo lường như vậy ngụ ý rằng ta phải nhìn vào bộ hiệu chuẩn, sau đó vào nguồn, rồi lại vào bộ hiệu chuẩn, rồi lại vào nguồn... Cần di chuyển mắt thật nhanh. Vì bầu khí quyển trong 1 giây thay đổi rất nhanh và nhiều, vì vậy ta không kịp để so sánh hai đối tượng. Nếu không có các công nghệ hiện đại sẽ cực kỳ khó khăn.  

Công nghệ trong lĩnh vực này đang phát triển rất nhanh chóng. Các công cụ được sử dụng tại EHT đang chờ để nâng cấp và có thể đạt được tốc độ cần thiết vào giữa năm 2020. Thách đố này có thể được giải quyết vào cuối thập kỷ tới.

10. Cuối cùng rồi EHT cũng sẽ nhìn thấy hàng trăm lỗ đen

Để phát kiến ra lỗ đen, điều cần thiết là độ phân giải của thấu kính thiên văn phải tốt hơn (nghĩa là với độ phân giải cao) so với kích thước của đối tượng đang tìm kiếm. Hiện tại, EHT chỉ có thể nhận ra ba lỗ đen trong Vũ trụ với đường kính đủ lớn: lỗ đen Sagittarius A*, lỗ đen trung tâm thiên hà M87, lỗ đen trung tâm thiên hà NGC 1277.  

Có thể tăng khả năng của EHT lên tới kích thước của Trái đất nếu phóng kính viễn vọng vào quỹ đạo. Trong lý thuyết, điều này đã có thể đạt được về mặt kỹ thuật. Sự gia tăng số kính thiên văn cũng làm tăng lượng và tần suất quan sát, đồng thời cả độ phân giải.

Bằng cách thực hiện những cải tiến cần thiết - thay vì chỉ ở 2 - 3 thiên hà - có thể tìm thấy hàng trăm lỗ đen hoặc thậm chí nhiều hơn nữa. /.

 

File

Bài: Thanh Hương

Đồ họa: Hà Nguyên