Ngày 10/4/2019, các nhà khoa học của dự án Kính thiên văn Chân trời sự kiện (EHT) đã công bố việc lần đầu tiên chụp được hình ảnh của một lỗ đen khổng lồ và cái bóng mà nó tạo ra ở trung tâm thiên hà xa xôi Messier 87 (M87). Đài thiên văn Đông Á (Việt Nam là thành viên) tham gia đóng góp vào khám phá quan trọng này.
Hình ảnh cho thấy lỗ đen ở trung tâm thiên hà Messier 87 [1], một thiên hà khổng lồ trong cụm thiên hà Virgo. Lỗ đen này cách Trái đất khoảng 55 triệu năm ánh sáng và có khối lượng khoảng 6,5 tỉ lần khối lượng Mặt trời [2].
Kính thiên văn Chân trời sự kiện −hệ kính có kích thước tương đương với Trái đất gồm 8 kính thiên văn vô tuyến− được thiết kế để chụp ảnh lỗ đen. Cụ thể, EHT liên kết các kính thiên văn trên toàn thế giới tạo thành một hệ kính ảo có kích thước tương đương với Trái đất; hệ có độ nhạy và độ phân giải cao nhất từ trước đến nay [3]. EHT là kết quả nỗ lực của hợp tác quốc tế trong nhiều năm, mở ra một cơ hội cho các nhà khoa học nghiên cứu về lỗ đen, vật thể lạ lùng nhất trong Vũ trụ được thuyết tương đối rộng của Einstein dự đoán tồn tại.
Khám phá được thực hiện đúng vào dịp kỉ niệm 100 năm thí nghiệm lịch sử lần đầu tiên xác nhận tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng [4].
“Chúng tôi đã chụp được bức ảnh đầu tiên về một lỗ đen“, ông Sheperd S. Doeleman, Trung tâm Vật lý thiên văn | Harvard & Smithsonian, giám đốc dự án EHT phát biểu. “Đây là một kỳ công phi thường của khoa học được thực hiện bởi một nhóm gồm hơn 200 nhà nghiên cứu.”
Lỗ đen là những vật thể vũ trụ khác thường, có khối lượng khổng lồ nhưng lại có kích thước cực kì nhỏ gọn. Sự hiện diện của chúng ảnh hưởng đến môi trường xung quanh theo những cách hết sức cực đoan: làm cong không thời gian và nung nóng đến nhiệt độ siêu cao mọi vật chất quanh nó.
“Nếu đắm mình trong một vùng sáng, như một đĩa khí phát sáng, chúng tôi hy vọng một lỗ đen sẽ tạo ra một vùng tối tương tự như một cái bóng – đây là điều được thuyết tương đối rộng của Einstein dự đoán nhưng chúng ta chưa từng quan sát thấy trước đây“, ông Heino Falcke từ Đại học Radboud, Hà Lan, chủ tịch Hội đồng khoa học của EHT giải thích. “Bóng của lỗ đen, hiệu ứng gây ra bởi sự uốn cong không gian do hấp dẫn và bắt ánh sáng của chân trời sự kiện, sẽ cho chúng ta biết thêm nhiều điều về bản chất của những vật thể hấp dẫn này và cho phép chúng ta đo được khối lượng khổng lồ của lỗ đen ở tâm M87.”
Nhiều phương pháp hiệu chuẩn và chụp ảnh Messier 87 cho thấy một cấu trúc vành khăn, tối ở vùng trung tâm – cái bóng của lỗ đen – Kết quả này được khẳng định qua nhiều quan sát độc lập của EHT.
“Một khi chắc chắn đã chụp được bóng của lỗ đen, chúng ta có thể so sánh kết quả quan sát với các mô hình tính toán đồ sộ có tính đến những hiệu ứng vật lý của sự biến dạng không gian, vật chất siêu nóng và từ trường mạnh. Nhiều đặc điểm của hình ảnh quan sát được cho thấy phù hợp một cách đáng ngạc nhiên với dự đoán lý thuyết,” Paul T.P. Ho, thành viên Hội đồng EHT và giám đốc Đài thiên văn Đông Á nhận xét [5]. “Sự phù hợp này khiến chúng tôi tự tin về việc giải thích các quan sát của mình, bao gồm cả ước tính khối lượng của lỗ đen.”
Hình thành nên EHT là một thách thức, đòi hỏi phải nâng cấp và kết nối một mạng lưới gồm 8 kính thiên văn đã được xây dựng trên toàn thế giới tại nhiều địa điểm nằm trên độ cao lớn. Những địa điểm đó gồm: núi lửa ở Hawaii và Mexico, những ngọn núi ở Arizona và dãy núi Nevada của Tây Ban Nha, sa mạc Atacama của Chi Lê và Nam Cực.
Các quan sát của EHT sử dụng một kĩ thuật gọi là giao thoa kế đường cơ sở rất dài (VLBI), đồng bộ hóa các cơ sở kính thiên văn trên khắp thế giới và khai thác sự quay của chính Trái đất để tạo thành một hệ kính khổng lồ có kích thước cỡ Trái đất. Kỹ thuật VLBI cho phép EHT đạt được độ phân giải góc cao 20 micro-giây −đủ để đọc một tờ báo ở New York từ một quán cà phê vỉa hè ở Paris [6].
Những kính thiên văn đóng góp vào khám phá này gồm ALMA, APEX, Kính thiên văn 30 mét IRAM, Kính thiên văn James Clerk Maxwell, Kính thiên văn milimet lớn Alfonso Serrano, Hệ kính dưới milimet, Kính thiên văn dưới milimet và Kính thiên văn Nam Cực [7]. Hàng triệu tỉ byte dữ liệu thô từ các kính thiên văn được kết hợp, phân tích bởi các siêu máy tính chuyên dụng hiệu năng cao tại Viện thiên văn vô tuyến Max Planck và Đài thiên văn MIT Haystack.
Việc xây dựng EHT và những quan sát được công bố hôm nay là thành quả của sự nỗ lực trong nhiều thập kỷ làm việc, quan sát, phát triển kỹ thuật và lý thuyết. Ví dụ này về tinh thần làm việc theo nhóm toàn cầu cần có sự cộng tác chặt chẽ của các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới. Mười ba tổ chức nghiên cứu thành viên đã làm việc cùng nhau để tạo ra EHT, sử dụng cả cơ sở hạ tầng sẵn có và những hỗ trợ từ nhiều cơ quan, tổ chức khác nhau. Tài trợ chính được cung cấp bởi Quỹ khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF), Hội đồng Nghiên cứu châu Âu của EU (ERC) và một số quỹ tài trợ từ Đông Á.
“Các nhà vật lý thiên văn Việt Nam không trực tiếp phân tích dữ liệu cụ thể từ dự án EHT nhưng chúng tôi làm việc với dữ liệu ghi nhận được từ Kính thiên văn James Clerk Maxwell của Đài thiên văn Đông Á, một trong những đài thiên văn thành viên của EHT. Những hợp tác quốc tế như vậy mở ra cơ hội cho chúng tôi được làm việc với những kính thiên văn hiện đại nhất, những dữ liệu tốt nhất và những dự án tiên phong của khoa học” TS. Phạm Ngọc Điệp, Phòng Vật lý thiên văn và Vũ trụ, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam cho biết.
“Chúng tôi đã làm được điều mà thế hệ trước đây cho là không thể,” Doeleman kết luận. “Những đột phá trong công nghệ, sự kết nối giữa các đài thiên văn vô tuyến hiện nhất thế giới và các thuật toán cải tiến, tất cả đã kết hợp với nhau để mở ra một cửa sổ hoàn toàn mới về các lỗ đen và chân trời sự kiện.”
Ghi chú
[1] Bóng của lỗ đen là thứ gần lỗ đen nhất mà ta có thể chụp ảnh. Lỗ đen là một vật thể hoàn toàn tối, đến ánh sáng cũng không thể thoát ra được. Ranh giới của lỗ đen, gọi là chân trời sự kiện mà EHT được đặt tên theo đó, nhỏ hơn khoảng 2,5 lần so với bóng mà lỗ đen tạo ra. Bóng có kích thước dưới 40 tỉ km.
[2] Các hố đen siêu nặng là những vật thể thiên văn tương đối nhỏ, lý do khiến chúng không thể quan sát được một cách trực tiếp cho đến nay. Vì kích thước của một lỗ đen tỉ lệ thuận với khối lượng của nó nên lỗ đen càng lớn bóng của nó càng lớn. Nhờ có khối lượng khổng lồ và khoảng cách tương đối gần nên lỗ đen của M87 được cho là một trong những lỗ đen lớn nhất có thể nhìn thấy từ Trái đất − khiến nó trở thành mục tiêu hoàn hảo cho EHT.
[3] Mặc dù các kính thiên văn của EHT không được kết nối với nhau một cách vật lý, nhưng dữ liệu của chúng có thể được đồng bộ hóa nhờ đồng hồ nguyên tử ghi lại thời gian quan sát một cách chính xác. Dữ liệu được thu thập ở bước sóng 1,3 mm trong một chiến dịch quan sát toàn cầu năm 2017. Mỗi kính thiên văn của EHT ghi nhận một lượng dữ liệu khổng lồ − khoảng 350 terabyte mỗi ngày − trên các ổ cứng chứa đầy heli hiệu năng cao. Những dữ liệu này được chuyển đến các siêu máy tính chuyên dụng tại Viện Thiên văn vô tuyến Max Planck và Đài thiên văn MIT Haystack để được kết hợp lại với nhau. Sau đó, dữ liệu đã được chuyển đổi thành hình ảnh nhờ những công cụ tính toán mới được phát triển bởi cộng đồng các nhà khoa học EHT.
[4] Cách đây 100 năm, hai đoàn thám hiểm đã lên đường tới đảo Príncipe ngoài khơi châu Phi và Sobral ở Brazil để quan sát nhật thực diễn ra vào năm 1919, với mục tiêu kiểm chứng thuyết tương đối rộng bằng cách xem xét liệu ánh sáng từ các ngôi sao có bị bẻ cong quanh Mặt trời theo như dự đoán của Einstein hay không. Theo bước những quan sát này, EHT đã cử một số thành viên của mình đến một số đài thiên văn vô tuyến biệt lập và cao nhất thế giới để một lần nữa kiểm tra sự hiểu biết của chúng ta về hấp dẫn.
[5] Đối tác của Đài thiên văn Đông Á (EAO) trong dự án EHT đại diện cho sự tham gia của nhiều khu vực ở châu Á, bao gồm Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Việt Nam, Thái Lan, Malaysia, Ấn Độ và Indonesia.
[6] Trong tương lai, EHT sẽ có độ nhạy thậm chí còn cao hơn khi có sự tham gia của Đài thiên văn IRAM NOEMA, Kính thiên văn Greenland và Kính thiên văn Đỉnh Kitt.
[7] ALMA là đối tác của Đài thiên văn Nam châu Âu (ESO; Châu Âu, đại diện cho các quốc gia thành viên), Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF) và Viện Khoa học Tự nhiên Quốc gia Nhật Bản (NINS), Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia (Canada), Bộ Khoa học và Công nghệ (MOST; Đài Loan), Viện Thiên văn học và Vật lý thiên văn Academia Sinica (ASIAA; Đài Loan), và Viện Khoa học Thiên văn và Vũ trụ Hàn Quốc (KASI; Hàn Quốc), hợp tác với Cộng hòa Chi Lê. APEX được vận hành bởi ESO, Kính thiên văn 30 mét được vận hành bởi IRAM (Tổ chức đối tác IRAM là MPG (Đức), CNRS (Pháp) và IGN (Tây Ban Nha)), Kính thiên văn James Clerk Maxwell được điều hành bởi EAO, Kính thiên văn milimet lớn Alfonso Serrano được vận hành bởi INAOE và UMass, Hệ dưới milimet được vận hành bởi SAO và ASIAA và Kính thiên văn dưới milimet được điều hành bởi Đài thiên văn vô tuyến Arizona (ARO). Kính thiên văn Nam Cực được vận hành bởi Đại học Chicago với thiết bị EHT chuyên dụng do Đại học Arizona cung cấp.
Thông tin thêm
Nghiên cứu này đã được trình bày trong một loạt sáu bài báo được công bố ngày hôm nay trong một số đặc biệt của tạp chí The Astrophysical Journal Letters.
Hợp tác quốc tế EHT có sự tham gia của hơn 200 nhà nghiên cứu từ Châu Phi, Châu Á, Châu Âu, Bắc và Nam Mỹ. Các nhà khoa học trong hợp tác quốc tế này đang tiếp tục làm việc để ghi lại những hình ảnh chi tiết nhất từng có từ lỗ đen bằng cách tạo ra một hệ kính thiên văn ảo có kích thước tương đương với Trái đất. Được đầu tư một cách đáng kể bởi cộng đồng quốc tế, EHT kết nối các kính thiên văn hiện có sử dụng những hệ thống mới − tạo ra một công cụ mới một cách cơ bản với độ phân giải góc nhìn cao nhất từ trước đến đến nay.
Các kính thiên văn của hệ bao gồm: ALMA, APEX, Kính thiên văn 30 mét IRAM, Đài thiên văn IRAM NOEMA, Kính thiên văn James Clerk Maxwell (JCMT), Kính thiên văn milimet lớn Alfonso Serrano (LMT), Hệ dưới milimet (SMA), Kính thiên văn dưới milimet (SMT), Kính thiên văn Nam Cực (SPT), Kính thiên văn Đỉnh Kitt và Kính thiên văn Greenland (GLT).
Hợp tác EHT bao gồm 13 viện nghiên cứu; Viện thiên văn học và vật lý thiên văn Academia Sinica, Đại học Arizona, Đại học Chicago, Đài thiên văn Đông Á, Goethe-Universitaet Frankfurt, Viện nghiên cứu thiên văn vô tuyến milimet, Kính thiên văn milimet lớn, Viện thiên văn vô tuyến Max Planck, Đài thiên văn Haystack MIT, Đài thiên văn Quốc gia Nhật Bản, Viện Perimeter về Vật lý lý thuyết, Đại học Radboud và Đài quan sát vật lý thiên văn Smithsonian.
