Việc chụp được bức ảnh đầu tiên của hố đen đã góp phần khẳng định thuyết tương đối của Einstein. Một lần nữa!
Hố đen là những siêu sao lâu đời của khoa học viễn tưởng. Nhưng sự nổi tiếng của chủ đề hố đen tại Hollywood không khỏi khiến nhiều người cảm thấy có một chút kỳ lạ, bởi lẽ chưa có ai từng tận mắt nhìn thấy một hố đen – ít nhất, cho đến tận bây giờ.
Nếu bạn cần phải nhìn thấy để tin rằng hố đen thật sự tồn tại, thì hãy cảm ơn Kính thiên văn Sự kiện Chân trời (EHT), nơi vừa tạo ra được hình ảnh trực tiếp đầu tiên về hố đen .
Chiến công tuyệt vời này đòi hỏi sự hợp tác toàn cầu để biến Trái đất thành một kính viễn vọng khổng lồ và chụp ảnh được một vật thể cách xa hàng nghìn tỷ km.
Cũng tuyệt vời và mang tính đột phá như vậy, dự án EHT không chỉ là việc chấp nhận một thử thách.
Đây là một thử nghiệm chưa từng có về việc liệu các ý tưởng của Einstein về bản chất của không gian và thời gian (thời – không) có ổn định trong các hoàn cảnh khắc nghiệt hay không, và cũng quan sát được gần hơn trước đây về vai trò của các hố đen trong vũ trụ.
Nói một cách ngắn gọn: Einstein đã đúng.
Nắm bắt được điều không thể nắm bắt được
Hố đen là một vùng không gian có khối lượng rất lớn và dày đặc đến nỗi thậm chí ánh sáng không thể thoát khỏi lực hấp dẫn của nó. Đối diện với một vùng không gian đen như mực xung quanh, việc chụp được một bức ảnh hố đen là một nhiệm vụ gần như không thể.
Nhưng nhờ vào công trình đột phá của Stephen Hawking, chúng ta đã biết rằng các khối lượng khổng lồ không chỉ là vực thẳm đen kịt . Chúng không chỉ có thể phát ra những cột sáng plasma khổng lồ, mà lực hấp dẫn to lớn của chúng cũng kéo theo dòng chảy vật chất vào phần lõi của nó.
Khi vật chất tiến đến gần khu vực chân trời sự kiện của một hố đen – vị trí điểm mà tại đó thậm chí ánh sáng không thể thoát ra – nó sẽ hình thành nên một đĩa quay xung quanh. Vật chất trong đĩa này sẽ chuyển hóa một phần năng lượng của nó thành lực ma sát khi nó cọ xát với các hạt vật chất khác.
Điều này làm ấm cái đĩa, giống như cái cách chúng ta làm ấm hai tay vào một ngày lạnh trời bằng cách chà chúng lại với nhau. Vật chất càng gần thì lực ma sát càng lớn. Vật chất gần đường chân trời sự kiện sẽ phát sáng rực rỡ với sức nóng của hàng trăm Mặt trời. Đây chính là ánh sáng mà EHT đã phát hiện được, cùng với “hình bóng” của hố đen.
Chụp được hình ảnh này và phân tích dữ liệu đó là một nhiệm vụ vô cùng khó khăn. Là một nhà thiên văn học từng nghiên cứu các hố đen ở các thiên hà xa xôi , thông thường thì tôi thậm chí không thể chụp được rõ ràng một ngôi sao trong các thiên hà đó, chứ đừng nói đến việc nhìn thấy hố đen ở trung tâm của chúng.
Nhóm EHT đã quyết định nhắm vào hai trong số các hố đen siêu lớn gần nhất với chúng ta – cả trong thiên hà lớn hình elip, M87 và tại Sagittarius A *, nằm ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta.
Để hiểu được nhiệm vụ này khó khăn đến mức độ nào, có thể đưa ra một con số về khoảng cách như thế này. Trong khi hố đen của Dải Ngân hà có khối lượng gấp 4,1 triệu lần Mặt trời và đường kính 60 triệu km, nó nằm cách Trái đất 250.614.750.218.665.392 km – tương đương với việc di chuyển từ London đến New York 45 nghìn tỷ lần.
Theo ghi nhận của nhóm EHT , điều này giống như bạn đang đứng ở New York và cố gắng đếm số lượng hố lõm (núm đồng tiền) trên một quả bóng gôn ở Los Angeles, hoặc chụp ảnh một quả cam trên mặt trăng.
Để chụp một cái gì đó quá xa xôi, nhóm nghiên cứu cần một chiếc kính viễn vọng lớn ngang bằng Trái đất. Trong bối cảnh không có một cỗ máy khổng lồ như vậy, nhóm EHT đã kết nối các kính viễn vọng trên khắp hành tinh với nhau, và kết hợp dữ liệu của chúng.
Để chụp được một bức ảnh chính xác tại mức khoảng cách như vậy, các kính thiên văn cần phải ổn định, và các giá trị đọc của chúng hoàn toàn đồng bộ với nhau.
Để thực hiện được thử thách này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng những chiếc đồng hồ nguyên tử chính xác đến mức chúng chỉ sai lệch một giây sau mỗi một trăm triệu năm.
5.000 terabyte dữ liệu được thu thập lớn đến mức nó phải được lưu trữ trên hàng trăm ổ đĩa cứng và được chuyển phát bằng tay đến một siêu máy tính, để điều chỉnh sự sai biệt về thời gian trong dữ liệu và tạo ra hình ảnh bên trên.
Thuyết tương đối rộng được xác thực
Với một cảm giác phấn khích, lần đầu tiên tôi được xem trình chiếu trực tiếp bức ảnh chụp hố đen từ trung tâm M87.
Kết quả quan trọng nhất đầu tiên là Einstein đã đúng. Một lần nữa . Thuyết tương đối tổng quát của ông đã vượt qua hai bài kiểm tra nghiêm túc tại những môi trường điều kiện khắc nghiệt nhất của vũ trụ trong vài năm trở lại đây.
Ở đây, lý thuyết của Einstein đã tiên đoán các quan sát từ M87 với độ chính xác hoàn hảo, và dường như là mô tả chính xác về bản chất của không gian, thời gian và trọng lực.
Các phép đo vận tốc của vật chất xung quanh trung tâm hố đen là khá tương thích với mức vận tốc gần với tốc độ ánh sáng.
Từ hình ảnh này, các nhà khoa học tại EHT đã xác định được rằng hố đen M87 có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần Mặt trời và rộng 40 tỷ km – tức lớn hơn quỹ đạo 200 năm xung quanh mặt trời của sao Hải Vương.
Rất khó để chụp ảnh chính xác Hố đen của Dải Ngân hà trong lần này do sự thay đổi nhanh chóng của ánh sáng đầu ra. Hy vọng rằng, sẽ có thêm nhiều kính viễn vọng được thêm vào dải kính viễn vọng của EHT trong thời gian sớm, để có được hình ảnh rõ ràng hơn về những vật thể hấp dẫn này.
Tôi chắc chắn rằng trong tương lai gần, chúng ta sẽ có thể hé nhìn vào trái tim đen tối của chính thiên hà của chúng ta.
Tác giả: Kevin Pimbblet , Giảng viên cao cấp bộ môn Vật lý, Đại học Hull .
Bản gốc trên The Conversation
Quang Khánh biên dịch
Video: