Hình ảnh trực tiếp trước hết của một lỗ đen

Chứng cứ tận mắt trước hết của một lỗ đen & “cái bóng” của nó đã được thông báo vào hôm 10 tháng Tư vừa qua bởi các nhà thiên văn làm việc với Kính thiên văn Chân mây Buổi lễ (EHT). Này là hình ảnh của siêu lỗ đen toạ lạc tâm của thiên hà đồ sộ Messier 87, trong đám thiên hà Virgo. Nằm cách Trái Đất 55 triệu năm ánh sáng, lỗ đen ấy có khối lượng gấp 6,5 tỉ lần khối lượng Mặt Trời, với sai số là 0,7 tỉ khối lượng Mặt Trời. Dù rằng các lỗ đen vốn dĩ vô hình do mật độ & trường cuốn hút cực độ của chúng, song các nhà tìm hiểu đã xoay sở được cách thu lấy các hình ảnh ở gần điểm vật chất & năng lượng không còn thoát ra được nữa – cái gọi là chân mây buổi lễ.

Hình ảnh lỗ đen tại tâm của thiên hà Messier 87 cho thấy hiệu ứng của đĩa bồi tụ cũng như của lỗ đen.

“Chúng tôi đang giới thiệu với nhân loại bức ảnh đầu tiên của loài người về một lỗ đen – một cánh cửa một chiều đi ra khỏi vũ trụ của chúng ta,” phát biểu của Sheperd Doeleman thuộc Đài thiên văn Haystack ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), nhà thiên văn chỉ huy nhóm EHT. “Đây là một bước ngoặc trong thiên văn học, một thành tựu khoa học chưa có tiền lệ được thực hiện bởi một đội gồm hơn 200 nhà nghiên cứu.” Doeleman cho biết kết quả này “mới cách đây một thế hệ còn được cho là không thể nào”. Ngoài ra, các bột phát về công nghệ & việc hoàn thành các kính thiên văn vô tuyến mới trong thập niên vừa qua đã cho phép các nhà tìm hiểu ngày nay “nhìn thấy cái không thể nhìn thấy”.

Các kết quả được thông báo trong sáu bài báo trên số đặc biệt của tờ Astrophysical Journal Letters, & được giới thiệu tại nhiều cuộc họp báo trên khắp toàn cầu hôm 10 tháng Tư 2019.

Các đĩa chất khí phát sáng

Các siêu lỗ đen được cho rằng có mặt tại tâm của hầu hết các thiên hà trong vũ trụ, & các nhà thiên văn rất mong muốn giải mã các đặc điểm chính yếu của chúng – chẳng hạn như lực cuốn hút cực độ của chúng tác động như vậy nào đến không-thời gian chung quanh chúng, & cách một số lỗ đen nạp các vòi vật chất đồ sộ tuôn tràn từ các thiên hà chứa chúng. Một đặc điểm chủ chốt của mỗi lỗ đen là chân mây buổi lễ của nó – ranh giới tại đó kể cả ánh sáng cũng chẳng thể thoát khỏi lực hút cuốn hút của nó, vì tốc độ thiết yếu để thoát ra sẽ to hơn vận tốc ánh sáng, yêu cầu bị cấm bởi thuyết tương đối rộng của Einstein. & trong lúc thuyết tương đối đã trải qua nhiều phép kiểm soát, các nhà tìm hiểu vẫn mong muốn biết xem nó đúng đến mức nào tại “nền tảng minh chứng tối hậu” – rìa của một lỗ đen.

Dù có cái tên như vậy, song các lỗ đen không hoàn toàn đen. Chất khí & bụi bị tóm gọn giữ chung quanh chúng trong một đĩa bồi tụ cô đặc đến mức nó thường nóng lên tới hàng tỉ độ ngay trước khi vật chất cuối cùng bị nuốt chửng vào lỗ đen, khiến chúng phát sáng đặc sắc. Thật vậy, thuyết tương đối rộng còn phán đoán rằng mỗi lỗ đen sẽ có một “cái bóng” chung quanh nó, đo chừng gấp năm lần chân mây buổi lễ. Cái bóng ấy thu được quan tâm nhiều vì kích thước & hình dạng của nó chính yếu lệ thuộc vào khối lượng & – với chừng mực kém hơn – vào spin của lỗ đen, do vậy làm bộc lộ các thuộc tính cố hữu của nó.

Xem Thêm  Bản năng, bản ngã, và siêu ngã (The Id, The Ego and The Superego)

“Nếu chìm trong một vùng sáng, ví dụ như đĩa chất khí phát sáng, thì chúng ta kì vọng mỗi lỗ đen tạo ra một vùng tối giống như một cái bóng – cái đã được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng của Einstein song chúng ta chưa từng thấy trước đây,” theo lời Heino Falcke tại Đại học Radboud ở Hà Lan, người đang ngồi ghế chủ tịch hội đồng khoa học EHT. “Cái bóng này, do sự bẻ cong vì hấp dẫn và sự bắt giữ ánh sáng bởi chân trời sự kiện gây ra, làm hé lộ rất nhiều về bản chất của những vật thể quyến rũ này.”

Một quả cam trên Mặt Trăng

Để xem xét trực tiếp lỗ đen tại tâm của Messier 87 – đặt tên là M87* – các nhà thiên văn cần một chiếc kính thiên văn có độ sắc nét góc sánh được với chân mây buổi lễ của nó, đường kính vào cỡ hàng chục micro giây cung. Nhưng để nhận được độ sắc nét như vậy với một chiếc kính thiên văn bình bình – bổ phận tựa như việc tìm ra một quả cam trên mặt phẳng Mặt Trăng – đòi hỏi một chiếc đĩa kích thước bằng hành tinh của các bạn, đó rõ ràng và cụ thể là điều bất khả thi.

Thay vậy, các nhà thiên văn EHT sử dụng kĩ năng thiên văn vô tuyến giao thoa kế đường nền tảng rất dài (VLBI). Nó thu nhặt các tín hiệu vô tuyến từ một nguồn phát thiên văn bởi một mạng lưới gồm từng chiếc kính thiên văn vô tuyến & các ma trận kính thiên văn phân bố trên khắp toàn thế giới. EHT, hoạt động lần trước hết vào năm 2007, gồm tám đĩa vô tuyến ở sáu địa điểm khác nhau trên khắp toàn thế giới, thảy đều hoạt động ở bước sóng 1,3 mm. Các kính thiên văn này bao gồm Ma trận Mili Mét/Hạ Mili Mét Lớn Atacama (ALMA) ở Chile, Kính thiên văn Nam Cực (SPT) ở Nam Cực, & kính thiên văn 30 m IRAM ở Tây Ban Nha. Khoảng cách giữa từng kính thiên văn EHT – gọi là “đường cơ sở” – biến thiên từ 160 m đến 10.700 km.

Hình ảnh lỗ đen

Kính thiên văn Chân mây Buổi lễ phối hợp tín hiệu của tám đài thiên văn vô tuyến trong đó có Ma trận Mili Mét/Hạ Mili Mét Lớn Atacama (ALMA) ở Chile, Kính thiên văn Nam Cực (SPT) ở Nam Cực. Các đường liền nét trổ tài các kính thiên văn liên quan đến xem xét M87*, còn đường đứt nét là các kính thiên văn dùng để chạy hiệu chỉnh. Ảnh: ApJL

Các tín hiệu thu được tại mỗi đĩa kính thiên văn trong mạng lưới được gắn nhãn với một tem thời gian rất chuẩn xác, thông thường tại mỗi vị trí đều sử dụng đồng hồ nguyên tử. Mỗi kính thiên văn tạo nên chừng 350 terabyte hàng ngày, chúng được lưu trữ trên các đĩa cứng năng suất cao chứa đầy helium. Sau đó dữ liệu được lọc tương quan & dùng để dựng nên một hình ảnh hoàn chỉnh bởi một siêu laptop đặt tại Viện Thiên văn Vô tuyến Max Planck ở Bonn, Đức, & Đài thiên văn MIT Haystack ở Mĩ. Công cuộc này EHT thành thiết bị có độ sắc nét cao nhất trên Trái Đất, có khả năng chụp hình phân giải gấp 2000 lần Kính thiên văn Vũ trụ Hubble & có khả năng phân giải những cụ thể nhỏ cỡ 20 micro giây cung.

Xem Thêm  Nga sẽ đưa tàu vũ trụ hạt nhân vào không gian để thực hiện sứ mệnh liên hành tinh

Một “bước ngoặc” thiên văn học

Vì kích thước của mỗi lỗ đen tỉ lệ với khối lượng của nó, nên lỗ đen có khối lượng càng lớn, thì cái bóng của nó càng lớn. Nhờ khối lượng cực khủng của nó & tương đối ở gần, M87* được phán đoán là một trong những lỗ đen lớn nhất xem xét được từ Trái Đất – khiến nó là một mục tiêu hoàn hảo cho EHT. Các nhà thiên văn đã xem xét M87* vào các ngày 5, 6, 10, & 11 tháng Tư 2017; họ cho hệ thống thực hiện một loạt quét từ ba đến bảy phút hàng ngày.

Hiện thời các xem xét EHT độc lập này được gom lại thành hình ảnh trước hết của một lỗ đen bao gồm cái bóng của nó, làm bộc lộ một cấu tạo dạng vành với một vùng tối ở giữa. Đường kính của cái vành là 42 micro giây cung với bề rộng chưa tới 20 micro giây cung. Bằng cách so sánh hình ảnh trên với các mô hình lí thuyết chẳng hạn như các mô phỏng từ thủy động lực học tương đối tổng quát, thì hình ảnh xem xét thấy là thích hợp với các hy vọng cho cái bóng của một lỗ đen Kerr – một kiểu lỗ đen không tích điện & quay chung quanh trục trọng điểm của nó – theo phán đoán của thuyết tương đối rộng.

Các nhà tìm hiểu đã có thể suy luận ra khối lượng của M87* là gấp 6,5 tỉ lần khối lượng Mặt Trời. Các ước tính trước đó – dựa vào các mô phỏng cũng như các xem xét quang phổ của thiên hà do Kính thiên văn Vũ trụ Hubble thực hiện – biến thiên từ 3,5 đến 7,7 tỉ lần khối lượng Mặt Trời. Các nhà khoa học EHT còn suy luận ra bán kính của chân mây buổi lễ là 3,8 micro giây cung. Họ cũng tìm ra chuyển động quay của lỗ đen đó là theo chiều kim đồng hồ, & spin của nó hướng ra xa tất cả chúng ta. Độ sáng trong phần dưới của ánh là do chuyển động tương đối của vật chất theo chiều kim đồng hồ nhìn từ phía tất cả chúng ta, vậy nên nó đang chuyển động về phía tất cả chúng ta.

Hình ảnh lỗ đen

Từ trái sang phải: Các xem xét EHT của M87* thực hiện hôm 6 tháng Tư 2017; một mô phỏng của M87*; mô phỏng phối hợp với độ sắc nét của Kính thiên văn Chân mây Buổi lễ. Ảnh: Akiyama & ApJL

“Một khi chúng ta chắc chắn đã chụp ảnh được cái bóng [của lỗ đen], chúng ta có thể so sánh các quan sát của mình với các mô hình máy tính mở rộng có xét đến vật lí học không gian cong, vật chất quá nhiệt và các từ trường mạnh. Nhiều chi tiết của hình ảnh quan sát thấy ăn khớp với các dự đoán lí thuyết của chúng ta đến bất ngờ,” phát biểu của Paul Ho, giám đốc Đài thiên văn Đông Á & là member quốc tế đội EHT. “Điều này khiến chúng ta cam chắc về cách lí giải các quan sát của mình, trong đó có ước tính của chúng ta về khối lượng của lỗ đen.”

Xem Thêm  Hố đen mới phát hiện ẩn chứa những đặc điểm dị thường, thách thức hầu hết các lý thuyết thiên văn học hiện nay (2021) ✔️ Cẩm Nang Tiếng Anh ✔️

Ngoài việc làm minh bạch các đặc điểm của M87*, EHT còn vén màn che so với chân mây buổi lễ, cho thấy ngày nay người ta có thể tìm hiểu thử nghiệm so với vùng này thông qua các sóng điện từ. Theo các nhà tìm hiểu, điều này đã biến chân mây buổi lễ từ một “khái niệm toán học” thuần túy thành một “thực thể vật lí”.

“Việc tạo ra được các hình ảnh vô tuyến với độ phân giải có thể sánh với kích cỡ góc của chân trời sự kiện lỗ đen, lần đầu tiên, là một bước đột phá quan trọng trong ngành thiên văn vật lí năng lượng cao,” phát biểu của nhà thiên văn vật lí Rob Fender tại Đại học Oxford, người không liên quan gì với nhóm EHT. Fender cho biết thêm rằng các xem xét EHT là cái nhìn tốt nhất từ trước đến nay của các bạn vào vùng không gia nơi vòi vật chất của lỗ đen tạo dựng. “Vùng ấy ở gần lỗ đen, ngay bên trên chân trời sự kiện, nó là vị trí của nhiều hiện tượng thiên văn vật lí cực độ nhất trong vũ trụ của chúng ta kể từ Big Bang,” ông nói. “Những vòi này mang lượng năng lượng khổng lồ ra khỏi lỗ đen ở giữa, thông qua các quá trình vẫn chưa được hiểu rõ.”

Đây không phải là kết quả trước hết nhận được từ EHT. Vào năm 2012, các nhà khoc học làm việc với ma trận EHT đã kiểm soát được việc xem xét, lần trước hết, căn cứ của vòi vật chất phát ra từ thiên hà M87. Công trình ấy ấn định rằng lỗ đen tại tâm của M87 đang quay tròn & rằng đĩa bồi tụ chuyển động theo chiều spin. Ba năm sau đó, các nhà tìm hiểu EHT đã đo được chứng cớ trực tiếp trước hết của từ trường ở gần chân mây buổi lễ của Sagittarius A* – lỗ đen toạ lạc tâm của thiên hà Ngân Hà của các bạn, cách tất cả chúng ta khoảng 26.000 năm ánh sáng nhưng với khối lượng bé hơn M87* chừng ba bậc độ lớn. Bằng cách tìm hiểu sự phân cực tròn thuận hay nghịch của các sóng vô tuyến tới, họ đã có thể suy ra chiều phân cực thẳng lần theo từ trường & tìm ra rằng nó còn thay đổi trên nền tảng hằng ngày & làm bộc lộ chế độ động lực học cực độ tại tâm của lỗ đen.

Giờ đây các nhà thiên văn hi vọng tiến hành thêm các xem xét về M87* để suy luận ra hình dạng & độ sâu của vùng bóng một cách chuẩn xác hơn. Họ còn hi vọng bổ sung thêm kính thiên văn vào ma trận để cho phép đem đến các hình ảnh phân giải cao hơn. Ngoài M87*, đội EHT còn cố gắng chụp ảnh ảnh trước hết của Sagittarius A*. Thế nhưng lỗ đen này khó phân giải hơn nhiều – mặc dầu nó ở gần hơn – vì nó hoạt động hơn đối với M87*, nó thay đổi trên cấp độ hàng phút chứ không phải mỗi ngày.

Các kết quả được thông báo trên báo chí Astrophysical Journal Letters.

Nguồn: physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ “Nguồn Thuvienvatly.com” khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận nội dung mới qua tin nhắn hộp thư online

By ads_law

Trả lời