Bí ẩn về lỗ đen vũ trụ dần bước ra... ánh sáng

Bức ảnh chụp hố đen đầu tiên trong lịch sử nhân loại đã chứng thực tiên đoán 104 năm trước của Albert Einstein về sự tồn tại của hố đen. Nó được các nhà khoa học thuộc Chương trình Kính thiên văn Chân trời sự kiện (EHT) công bố vào tháng 4 năm nay với sự tham gia của hơn 200 nhà khoa học, sử dụng mạng lưới kính thiên văn toàn cầu để quan sát và chụp lại bức ảnh đặc biệt này.

Nỗ lực trong hơn một thập kỷ

Lỗ đen được chụp lại là lỗ đen siêu trọng ở trung tâm thiên hà M87 (Messier 87), nằm gần cụm thiên hà Virgo, cách Trái đất 55 triệu năm ánh sáng và nặng gấp 6,5 tỷ lần khối lượng Mặt trời. Đây được cho là bằng chứng thị giác trực tiếp và đầu tiên về sự tồn tại của lỗ đen trong thực tế. Trong bức ảnh, một trung tâm tối đen nằm gọn trong một vầng sáng có một bên trông sáng hơn bên còn lại. “Chúng tôi đã nhìn thấy thứ mà chúng tôi nghĩ là không khả kiến. Chúng tôi đã thấy và chụp được hình một lỗ đen” - Shepard Doeleman, giám đốc Chương trình Kính thiên văn Chân trời sự kiện EHT (Event Horizon Telescope Collaboration), bày tỏ.

EHT là mạng lưới toàn cầu các kính thiên văn đã chụp được bức ảnh lịch sử ấy. Có hơn 200 nhà nghiên cứu tham gia vào dự án và dành ra hơn một thập kỷ làm việc ròng rã để có thể chụp được bức ảnh này. Để chụp được hình ảnh của lỗ đen, các nhà khoa học đã kết nối 8 kính viễn vọng vô tuyến khắp thế giới, sử dụng kỹ thuật “phép đo giao thoa đường gốc rất dài” (VLBI - Very Long Baseline Interferometry). Kỹ thuật này cho phép tạo ra một “kính viễn vọng ảo” với kích thước tương đương Trái đất.

“Cuộc quan sát như một vũ điệu phối hợp, chúng tôi đồng thời hướng kính viễn vọng theo một trật tự đã được hoạch định kỹ càng để đảm bảo các quan sát là hoàn toàn đồng thời với mục đích thấy cùng một mặt sóng ánh sáng đi đến từng kính, và mỗi kính được canh thời gian bởi các đồng hồ nguyên tử vô cùng chính xác” - Phó Giáo sư thiên văn học Daniel Marrone của Đại học Arizona cho hay.

Chuỗi kính thiên văn đã thu thập được 5 triệu tỷ bytes dữ liệu trong vòng 2 tuần, được xử lý bởi các siêu máy tính để có thể truy xuất hình ảnh tốt nhất về lỗ đen. Khoảng 2 tỷ hình độ phân giải cao đã được tổng hợp. Tuy nhiên, những mảnh ghép rời rạc này không cho chúng ta thấy hình ảnh rõ ràng về lỗ đen. Để có thể tạo lập bức ảnh tốt nhất, các nhà khoa học đã làm thuật toán xử lý hình ảnh được phát triển chủ yếu bởi nhà khoa học trẻ Katie Bouman.

Trở về với Thuyết tương đối của Einstein, lý thuyết này dự đoán trong vũ trụ có những vùng mà ở đó mật độ vật chất lớn đến nỗi lực hấp dẫn là quá mạnh khiến vật chất không thể thoát ra được, kể cả ánh sáng. Lỗ đen rất có thể là một vùng như thế. Giới hạn xung quanh lỗ đen mà vật chất, ánh sáng và bức xạ không thể thoát ra được gọi là chân trời sự kiện. Các nhà khoa học cho rằng lỗ đen nung nóng cực độ các vật chất bao quanh tạo ra thứ gọi là đĩa bồi tụ, cũng như có thể bẻ cong không - thời gian. Lý thuyết này cũng gợi ý rằng nếu vật chất nóng đó dưới dạng plasma và phát ra bức xạ điện từ dưới dạng ánh sáng thì điều đó có thể khiến lỗ đen khả kiến. Vầng sáng trong bức ảnh chụp lỗ đen chính là một đĩa bồi tụ như thế.

Động lực để giải mã lỗ đen

Việc quan sát được lỗ đen đồng nghĩa với việc Thuyết tương đối của Einstein lần nữa có thêm một chứng minh về tính đúng đắn của nó. Đây là một cuộc cách mạng kể từ sau các chứng cứ về ánh sáng bị bẻ cong hay sự tồn tại của sóng hấp dẫn, vốn cũng được tiên đoán bởi thuyết này. “Nếu lỗ đen đi vào một vùng vật chất sáng, như một đám khí phát quang, chúng tôi kỳ vọng rằng nó sẽ tạo ra một vùng bóng tối như Thuyết tương đối từ dự đoán nhưng chưa từng được quan sát. Vùng tối này, do sự bẻ cong bởi lực hấp dẫn cộng thêm sự bắt giữ ánh sáng bởi chân trời sự kiện, có thể tiết lộ rất nhiều điều về bản chất của những vật thể kỳ diệu này và cho phép chúng tôi tiến hành đo đạc khối lượng khổng lồ của hố đen thiên hà M87” - Heino Falcke, Chủ tịch Hội đồng Khoa học EHT, chia sẻ.

Lỗ đen của thiên hà M87 mang khối lượng vô cùng lớn, khiến các nhà nghiên cứu tin rằng nó là lỗ đen lớn nhất có thể quan sát từ Trái đất. Tuy nhiên trên thực tế, khi so sánh với các vật thể khác trong vũ trụ, các lỗ đen siêu trọng nhỏ hơn nhiều. Đó là lý do mà trước đây chúng ta khó có thể phát hiện ra chúng. Kích thước của một lỗ đen có liên quan trực tiếp đến khối lượng của nó và lỗ đen càng lớn thì vùng bóng tối càng lớn. Chúng dường như vô hình, nhưng may thay, cách mà chúng tương tác với vật chất xung quanh chính là một món quà dành tặng cho các nhà khoa học để có thể phát hiện ra lỗ đen.

Về chặng đường xa hơn, Paul T.P. Ho - thành viên Hội đồng EHT, Giám đốc Đài thiên văn Đông Á - cho biết: “Một khi chúng ta đã chắc chắn chụp được ảnh của cái bóng lỗ đen ấy, ta có thể so sánh những quan sát với cơ số những mô hình máy tính bao gồm lý thuyết về không - thời gian bị bẻ cong, vật chất siêu nóng và từ trường mạnh. Một cách đầy bất ngờ, nhiều tính chất của bức ảnh trùng khớp với các hiểu biết của chúng tôi trên mặt lý thuyết. Điều này khiến chúng tôi thêm tự tin về biểu diễn các quan sát của chúng tôi, bao gồm việc ước đoán khối lượng của lỗ đen”.

Suy nghĩ về thứ gọi là lỗ đen đã kích thích sự tưởng tượng cho nhân loại trong nhiều thập kỷ qua, vốn vẫn là một ẩn số để có thể hiểu chính xác về chúng. Tuy nhiên, cuộc cách mạng về thiên văn trong những năm gần đây đã vén dần bức màn, và bí ẩn về lỗ đen đã “bước ra ánh sáng”. France Córdova, chủ tịch Quỹ Khoa học Quốc gia, nhận định: “Bằng những quan sát đột phá như thế này, chúng ta đã dần phơi bày những bí mật đằng sau lỗ đen. Đó chính là sứ mệnh tồn tại của Quỹ Khoa học Quốc gia. Chúng tôi tiếp sức để các nhà khoa học, kỹ sư làm sáng tỏ những ẩn số và tiết lộ những vẻ đẹp phức tạp của vũ trụ này”.

HOÀI CHUNG (Bản tin ĐHQG-HCM số 194)