- Tham gia
- 25/11/2012
- Bài viết
- 351
(kenhsinhvien.vn) Mạng lưới kính viễn vọng trên toàn cầu vừa chụp được môi trường khắc nghiệt xung quanh lỗ đen siêu khủng trong sân sau vũ trụ chúng ta.
Bức ảnh đầu tiên chụp vật chất siêu nhiệt xung quanh lỗ đen Sagittarius A* siêu khủng trong dải Ngân Hà. Không ánh sáng nào có thể thoát khỏi lỗ đen. Ảnh: Hợp tác quốc tế Kính viễn vọng Chân trời sự kiện.
Giống như nhiều thiên hà khác, trái tim của dải Ngân Hà là một bí ẩn. Tại lõi thiên hà của chúng ta là một lỗ đen siêu khủng trĩu nặng 4 triệu mặt trời. Xung quanh hố không-thời gian không đáy ấy là một đĩa vật chất khuấy động phát sáng và thường bị một lớp màn chất khí, bụi và sao quay quanh che khuất.
Nhờ mạng lưới Kính viễn vọng Chân trời sự kiện (Event Horizon Telescope – EHT) trên toàn cầu, các nhà khoa học cuối cùng cũng nhìn thẳng được vào trái tim của dải Ngân Hà, tiết lộ bức ảnh đầu tiên về bóng hình lỗ đen. Quan trắc được thực hiện từ năm 2017, vừa được đăng trên tạp chí Astrophysical Journal Letters tháng 5 vừa qua.
“Hôm nay trong niềm hân hoan, Kính viễn vọng Chân trời sự kiện xin chia sẻ với quý độc giả bức ảnh trực diện đầu tiên về quý ông khổng lồ ngự tại trung tâm thiên hà của chúng ta, Sagittarius A*”, Feryal Özel của Đại học Arizona phát biểu trong buổi họp báo công bố thành tựu. “Tôi đã gặp hắn 20 năm trước, say mê hắn và cố tìm hiểu hắn từ dạo ấy. Nhưng mãi cho đến hiện tại, chúng tôi vẫn chưa có hình ảnh trực tiếp xác nhận Sagittarius A* có đúng là một lỗ đen hay không.”
Hình ảnh cho thấy một vành khuyên vật chất bức xạ bị lệch đang ôm lấy hố sâu bóng tối – cái bóng của lỗ đen Sagittarius A* (phát âm “Sagittarius A-star”). Hình ảnh ló dạng ngay trên chân trời sự kiện của lỗ đen, điểm bất khả khứ hồi nằm phía bên kia mà các sao, hành tinh, bụi, và thậm chí cả ánh sáng sẽ bị mất đi vĩnh viễn.
“Ánh sáng quá gần lỗ đen đến mức bị lỗ đen nuốt chửng, cuối cùng sẽ vượt qua chân trời và chỉ để lại khoảng không bóng tối ở trung tâm”, Özel cho biết.
Bức ảnh mới nhất của Kính viễn vọng Chân trời sự kiện là sự hợp tác toàn cầu của hơn 200 nhà khoa học. Năm 2019, sự hợp tác này đã tiết lộ một bức ảnh trông giống như một lỗ đen khổng lồ tại trung tâm của M87, thiên hà cách chúng ta 50 triệu năm ánh sáng. Bức ảnh đánh dấu lần đầu tiên bóng của một lỗ đen được quan sát trực tiếp. Cả hai bức ảnh đều được tạo ra bằng việc tổng hợp dữ liệu từ 8 đài quan sát khắp thế giới. Các đài quan sát đã thành công biến Trái Đất thành một kính viễn vọng cỡ lớn.
Trong vài vài phút kể từ lúc công bố, các nhà nghiên cứu lỗ đen trên khắp thế giới đã tán dương bức ảnh cột mốc này. “Bức ảnh vành khuyên lỗ đen tuyệt vời!!!!! Chúc mừng nhóm EHT,” Andrea Ghez, nhà thiên văn học tại Đại học California, LA viết trong email gửi đến National Geographic, năm 2020 bà từng đoạt giải Nobel lĩnh vực vật lý cho nghiên cứu về Sagittarius A*.
Với bức ảnh lỗ đen thứ hai trong tay, các nhà khoa học tiếp tục đặt câu hỏi vật lý có như ta biết, cụ thể là thuyết tương đối rộng của Einstein, có ứng nghiệm trong môi trường cực đoan xung quanh một lỗ đen siêu khủng hay không. Từ so sánh các quan sát mới này với quan sát của M87, các nhà nghiên cứu có thể tìm hiểu nhiều hơn về cách hoạt động của lỗ đen có khối lượng khác nhau.
“Tôi cứ nghĩ về lỗ đen này lúc học tiến sĩ,” Sera Markoff của Đại học Amsterdam cho biết. “Bạn tìm hiểu một điều gì đó, nhưng nó rất trừu tượng, và sau đó đột nhiên nó hiện ra. Bạn đang quan sát một lỗ đen.”
Kính viễn vọng cỡ hành tinh
Tháng 4/2017, các nhà khoa học chỉnh kính viễn vọng từ 8 đài quan sát hướng đến trung tâm thiên hà chúng ta. Kính viễn vọng nằm rải rác từ Hawaii, Tây Ban Nha đến Nam Cực, mỗi cái đều quan sát Sagittarius A* khi vòng quay Trái Đất di chuyển vào tầm nhìn. Khi tập hợp các quan sát, nhóm nghiên cứu tổng hợp dữ liệu từ mỗi kính viễn vọng bằng kỹ thuật giao thoa trường chuẩn tuyến và dùng dữ liệu đó để tạo ra hình ảnh.
Tạo ra ảnh Sagittarius A* không dễ như ảnh siêu lỗ đen của M87 được quan sát trong cùng chiến dịch đó. Sagittarius A* cách khoảng 26.000 năm ánh sáng và có thể là lỗ đen lớn nhất nhưng nó lại khá nhỏ so với các lỗ đen siêu khủng khác – chỉ bằng khoảng 1/1500 khối lượng của lỗ đen trung tâm M87.
Nếu lỗ đen của M87, nặng bằng 6,5 tỷ mặt trời, lọt thỏm vào trung tâm của thái dương hệ, nó sẽ quét sạch mọi thứ trong bán kính gấp 130 lần khoảng cách từ mặt trời tới Trái Đất; mặt khác, Sagittarius A* còn không lấp đầy hết quỹ đạo của sao Thuỷ.
Sagittarius A* bị bụi khí ở trung tâm dải Ngân Hà che khuất nhiều. Môi trường cục bộ cũng biến đổi liên tục: xoáy, hỗn loạn, sáng chói, khiến việc tổng hợp các quan sát thành một hình ảnh duy nhất trở nên khó khăn. “Vật chất xung quanh lỗ đen nhỏ hơn sẽ di chuyển nhanh hơn,” nhà vật lý thiên văn Dimitrios Psaltis cho biết. “Chúng tôi lo ngại plasma xung quanh lỗ đen sẽ không yên vị trong 8 tiếng Trái Đất quay để chúng tôi tạo ra hình ảnh.”
Cuối cùng, các nhà khoa học cũng tạo ra được chân dung Sagittarius A*.
Hố sâu tại trung tâm thiên hà
Hình ảnh mới hé lộ một vài đặc điểm quan trọng về cổng thoát lực hấp dẫn tại trung tâm thiên hà, trong đó có hướng spin của nó, cho rằng đỉnh hoặc đáy của lỗ đen, phụ thuộc vào góc nhìn của bạn, gần như nhắm thẳng về phía Trái Đất. Khối lượng của nó cũng thống nhất với các ước tính trước kia từ việc nghiên cứu sao có quỹ đạo quanh lỗ đen.
Nhưng có chút khó hiểu là, dữ liệu cũng cho thấy lỗ đen siêu khủng này dường như không phóng một tia hạt mạnh nào vào vũ trụ, dù đó là một đặc điểm khá phổ biến của những thiên thể như vậy, trong đó có lỗ đen M87.
“Giờ người ta đang tranh luận: Sagittarius A* có đang phóng tia hạt hay không vì trong môi trường phức tạp khó quan sát ấy nó quá nhỏ và yếu?” Markoff đặt câu hỏi. “Từ mọi dữ kiện chúng tôi quan sát, dự đoán của chúng tôi đưa ra mô hình có tia hạt.”
Trong số các lỗ đen siêu khủng, Sagittarius A* là vật thể “suy dinh dưỡng” nhất mà EHT quan sát được. Thay vì giận dữ nuốt chửng mọi thứ bén mảng đến gần, thì nó lại bất động, tranh thủ những cơn gió sao từ những ngôi sao gần đó, đánh cắp đủ các mảnh vụn để hình thành nên một vành khuyên. Dù vậy, nhiều bằng chứng cho rằng Sagittarius A* đang năng động hơn.
“Chúng tôi biết rõ về lỗ đen thông qua các chu kỳ hoạt động khi quan sát các lỗ đen siêu khủng trong cụm thiên hà,” Markoff nói. “Chúng tôi thấy được những bóng khí thổi ra trong các chu kỳ hoạt động của lỗ đen trong môi trường chất khí xung quanh, dường như cứ khoảng một trăm triệu năm chúng lại thổi bóng khí một lần. Thế nên có một công tắc bật-mở ở đây.”
Hoạt động không đều đặn như vậy từ Sagittarius A* để lại dấu ấn trên các phân tử trong không gian liên sao, cho thấy hoạt động của nó thay đổi ít nhất là trên quy mô thời gian hàng thiên niên kỷ, hay thậm chí là hàng thế kỷ. Tuy các nhà khoa học biết rằng hoạt động của lỗ đen thay đổi dựa trên lượng vật chất nó tiêu thụ, nhưng họ vẫn chưa rõ quá trình hoạt động thế nào.
Một cách mà các nhà khoa học đang gỡ rối vòng xoáy hỗn độn bao lấy Sagittarius A* là so sánh nó với mặt trời. Mặt trời có khối lượng nhỏ hơn nhiều, nhưng xoáy bóng khí, từ trường xoắn, độ chói, phun trào và khí nóng của nó có thể giúp nhà thiên văn tìm hiểu sâu hơn về vật lý học xung quanh lỗ đen siêu khủng.
“Dĩ nhiên đó sẽ là một trạng thái cực đoan hơn,” Markoff nhận định. “Nhưng điều tôi thấy khó tin là nhiều kiến thức vật lý chúng tôi có được từ mặt trời có thể áp dụng cho lỗ đen theo nhiều cách. Quả thật chúng tôi đã vay mượn một vài kỹ thuật.”
Mọi hình dáng và kích cỡ
Các nhà khoa học hy vọng việc tìm kiếm điểm giống và khác nhau của M87 và Sagittarius A* sẽ giúp họ hiểu rõ hơn về một quần thể lỗ đen rộng lớn hơn. Nếu các lý thuyết phù hợp với những vật thể có kích thước khác nhau như vậy, thì các nhà khoa học có thể tự tin hơn khi đi tìm lời giải cho những vật thể không thể quan sát rõ một cách chính xác.
“Việc xác minh là rất khó trong ngành của chúng tôi. Chúng tôi đâu bay tới được một lỗ đen và nói, Này, chuyện gì đang xảy ra ở đây vậy? Nhưng đại khái đó là điều chúng tôi có thể làm ở đây,” Markoff cho biết.
Hai lỗ đen này cũng cho phép các nhà vật lý học kiểm chứng thuyết tương đối rộng do Albert Einstein đề ra năm 1916. Lỗ đen là một dự đoán của giả thuyết, và là một kết quả mà bản thân Einstein hoài nghi. Nhưng bên cạnh một vài bí ẩn trong lĩnh vực lượng tử, thuyết tương đối rộng dường như vẫn đứng vững cho đến ngày nay, mặc cho các nhà khoa học dự đoán môi trường vật lý thiên văn khắc nghiệt sẽ đánh đổ nó.
“Nếu bạn lấy hai vật thể bất kỳ trong vũ trụ có khối lượng chênh lệch 1500, chúng sẽ chẳng còn giống nhau nữa – lấy một hành tinh khổng lồ và một tiểu hành tinh bé, lấy một thiên hà lớn và một thiên hà bé, một con kiến và một con voi, một hòn đá nhỏ và một ngọn núi,” Psaltis cho biết.
“Mọi lý thuyết trên đời đều có thang đo, và khi bạn thay đổi từ thang này sang thang khác, chúng sẽ trông rất khác. Ngoại trừ thuyết tương đối rộng. Đó là một giả thuyết độc đáo không có thang đo. Bạn quan sát vật thể nhỏ nhất và lớn nhất và thấy chúng hoạt động hệt như nhau.”
Bức ảnh đầu tiên chụp vật chất siêu nhiệt xung quanh lỗ đen Sagittarius A* siêu khủng trong dải Ngân Hà. Không ánh sáng nào có thể thoát khỏi lỗ đen. Ảnh: Hợp tác quốc tế Kính viễn vọng Chân trời sự kiện.
Giống như nhiều thiên hà khác, trái tim của dải Ngân Hà là một bí ẩn. Tại lõi thiên hà của chúng ta là một lỗ đen siêu khủng trĩu nặng 4 triệu mặt trời. Xung quanh hố không-thời gian không đáy ấy là một đĩa vật chất khuấy động phát sáng và thường bị một lớp màn chất khí, bụi và sao quay quanh che khuất.
Nhờ mạng lưới Kính viễn vọng Chân trời sự kiện (Event Horizon Telescope – EHT) trên toàn cầu, các nhà khoa học cuối cùng cũng nhìn thẳng được vào trái tim của dải Ngân Hà, tiết lộ bức ảnh đầu tiên về bóng hình lỗ đen. Quan trắc được thực hiện từ năm 2017, vừa được đăng trên tạp chí Astrophysical Journal Letters tháng 5 vừa qua.
“Hôm nay trong niềm hân hoan, Kính viễn vọng Chân trời sự kiện xin chia sẻ với quý độc giả bức ảnh trực diện đầu tiên về quý ông khổng lồ ngự tại trung tâm thiên hà của chúng ta, Sagittarius A*”, Feryal Özel của Đại học Arizona phát biểu trong buổi họp báo công bố thành tựu. “Tôi đã gặp hắn 20 năm trước, say mê hắn và cố tìm hiểu hắn từ dạo ấy. Nhưng mãi cho đến hiện tại, chúng tôi vẫn chưa có hình ảnh trực tiếp xác nhận Sagittarius A* có đúng là một lỗ đen hay không.”
Hình ảnh cho thấy một vành khuyên vật chất bức xạ bị lệch đang ôm lấy hố sâu bóng tối – cái bóng của lỗ đen Sagittarius A* (phát âm “Sagittarius A-star”). Hình ảnh ló dạng ngay trên chân trời sự kiện của lỗ đen, điểm bất khả khứ hồi nằm phía bên kia mà các sao, hành tinh, bụi, và thậm chí cả ánh sáng sẽ bị mất đi vĩnh viễn.
“Ánh sáng quá gần lỗ đen đến mức bị lỗ đen nuốt chửng, cuối cùng sẽ vượt qua chân trời và chỉ để lại khoảng không bóng tối ở trung tâm”, Özel cho biết.
Bức ảnh mới nhất của Kính viễn vọng Chân trời sự kiện là sự hợp tác toàn cầu của hơn 200 nhà khoa học. Năm 2019, sự hợp tác này đã tiết lộ một bức ảnh trông giống như một lỗ đen khổng lồ tại trung tâm của M87, thiên hà cách chúng ta 50 triệu năm ánh sáng. Bức ảnh đánh dấu lần đầu tiên bóng của một lỗ đen được quan sát trực tiếp. Cả hai bức ảnh đều được tạo ra bằng việc tổng hợp dữ liệu từ 8 đài quan sát khắp thế giới. Các đài quan sát đã thành công biến Trái Đất thành một kính viễn vọng cỡ lớn.
Trong vài vài phút kể từ lúc công bố, các nhà nghiên cứu lỗ đen trên khắp thế giới đã tán dương bức ảnh cột mốc này. “Bức ảnh vành khuyên lỗ đen tuyệt vời!!!!! Chúc mừng nhóm EHT,” Andrea Ghez, nhà thiên văn học tại Đại học California, LA viết trong email gửi đến National Geographic, năm 2020 bà từng đoạt giải Nobel lĩnh vực vật lý cho nghiên cứu về Sagittarius A*.
Với bức ảnh lỗ đen thứ hai trong tay, các nhà khoa học tiếp tục đặt câu hỏi vật lý có như ta biết, cụ thể là thuyết tương đối rộng của Einstein, có ứng nghiệm trong môi trường cực đoan xung quanh một lỗ đen siêu khủng hay không. Từ so sánh các quan sát mới này với quan sát của M87, các nhà nghiên cứu có thể tìm hiểu nhiều hơn về cách hoạt động của lỗ đen có khối lượng khác nhau.
“Tôi cứ nghĩ về lỗ đen này lúc học tiến sĩ,” Sera Markoff của Đại học Amsterdam cho biết. “Bạn tìm hiểu một điều gì đó, nhưng nó rất trừu tượng, và sau đó đột nhiên nó hiện ra. Bạn đang quan sát một lỗ đen.”
Kính viễn vọng cỡ hành tinh
Tháng 4/2017, các nhà khoa học chỉnh kính viễn vọng từ 8 đài quan sát hướng đến trung tâm thiên hà chúng ta. Kính viễn vọng nằm rải rác từ Hawaii, Tây Ban Nha đến Nam Cực, mỗi cái đều quan sát Sagittarius A* khi vòng quay Trái Đất di chuyển vào tầm nhìn. Khi tập hợp các quan sát, nhóm nghiên cứu tổng hợp dữ liệu từ mỗi kính viễn vọng bằng kỹ thuật giao thoa trường chuẩn tuyến và dùng dữ liệu đó để tạo ra hình ảnh.
Tạo ra ảnh Sagittarius A* không dễ như ảnh siêu lỗ đen của M87 được quan sát trong cùng chiến dịch đó. Sagittarius A* cách khoảng 26.000 năm ánh sáng và có thể là lỗ đen lớn nhất nhưng nó lại khá nhỏ so với các lỗ đen siêu khủng khác – chỉ bằng khoảng 1/1500 khối lượng của lỗ đen trung tâm M87.
Nếu lỗ đen của M87, nặng bằng 6,5 tỷ mặt trời, lọt thỏm vào trung tâm của thái dương hệ, nó sẽ quét sạch mọi thứ trong bán kính gấp 130 lần khoảng cách từ mặt trời tới Trái Đất; mặt khác, Sagittarius A* còn không lấp đầy hết quỹ đạo của sao Thuỷ.
Sagittarius A* bị bụi khí ở trung tâm dải Ngân Hà che khuất nhiều. Môi trường cục bộ cũng biến đổi liên tục: xoáy, hỗn loạn, sáng chói, khiến việc tổng hợp các quan sát thành một hình ảnh duy nhất trở nên khó khăn. “Vật chất xung quanh lỗ đen nhỏ hơn sẽ di chuyển nhanh hơn,” nhà vật lý thiên văn Dimitrios Psaltis cho biết. “Chúng tôi lo ngại plasma xung quanh lỗ đen sẽ không yên vị trong 8 tiếng Trái Đất quay để chúng tôi tạo ra hình ảnh.”
Cuối cùng, các nhà khoa học cũng tạo ra được chân dung Sagittarius A*.
Hố sâu tại trung tâm thiên hà
Hình ảnh mới hé lộ một vài đặc điểm quan trọng về cổng thoát lực hấp dẫn tại trung tâm thiên hà, trong đó có hướng spin của nó, cho rằng đỉnh hoặc đáy của lỗ đen, phụ thuộc vào góc nhìn của bạn, gần như nhắm thẳng về phía Trái Đất. Khối lượng của nó cũng thống nhất với các ước tính trước kia từ việc nghiên cứu sao có quỹ đạo quanh lỗ đen.
Nhưng có chút khó hiểu là, dữ liệu cũng cho thấy lỗ đen siêu khủng này dường như không phóng một tia hạt mạnh nào vào vũ trụ, dù đó là một đặc điểm khá phổ biến của những thiên thể như vậy, trong đó có lỗ đen M87.
“Giờ người ta đang tranh luận: Sagittarius A* có đang phóng tia hạt hay không vì trong môi trường phức tạp khó quan sát ấy nó quá nhỏ và yếu?” Markoff đặt câu hỏi. “Từ mọi dữ kiện chúng tôi quan sát, dự đoán của chúng tôi đưa ra mô hình có tia hạt.”
Trong số các lỗ đen siêu khủng, Sagittarius A* là vật thể “suy dinh dưỡng” nhất mà EHT quan sát được. Thay vì giận dữ nuốt chửng mọi thứ bén mảng đến gần, thì nó lại bất động, tranh thủ những cơn gió sao từ những ngôi sao gần đó, đánh cắp đủ các mảnh vụn để hình thành nên một vành khuyên. Dù vậy, nhiều bằng chứng cho rằng Sagittarius A* đang năng động hơn.
“Chúng tôi biết rõ về lỗ đen thông qua các chu kỳ hoạt động khi quan sát các lỗ đen siêu khủng trong cụm thiên hà,” Markoff nói. “Chúng tôi thấy được những bóng khí thổi ra trong các chu kỳ hoạt động của lỗ đen trong môi trường chất khí xung quanh, dường như cứ khoảng một trăm triệu năm chúng lại thổi bóng khí một lần. Thế nên có một công tắc bật-mở ở đây.”
Hoạt động không đều đặn như vậy từ Sagittarius A* để lại dấu ấn trên các phân tử trong không gian liên sao, cho thấy hoạt động của nó thay đổi ít nhất là trên quy mô thời gian hàng thiên niên kỷ, hay thậm chí là hàng thế kỷ. Tuy các nhà khoa học biết rằng hoạt động của lỗ đen thay đổi dựa trên lượng vật chất nó tiêu thụ, nhưng họ vẫn chưa rõ quá trình hoạt động thế nào.
Một cách mà các nhà khoa học đang gỡ rối vòng xoáy hỗn độn bao lấy Sagittarius A* là so sánh nó với mặt trời. Mặt trời có khối lượng nhỏ hơn nhiều, nhưng xoáy bóng khí, từ trường xoắn, độ chói, phun trào và khí nóng của nó có thể giúp nhà thiên văn tìm hiểu sâu hơn về vật lý học xung quanh lỗ đen siêu khủng.
“Dĩ nhiên đó sẽ là một trạng thái cực đoan hơn,” Markoff nhận định. “Nhưng điều tôi thấy khó tin là nhiều kiến thức vật lý chúng tôi có được từ mặt trời có thể áp dụng cho lỗ đen theo nhiều cách. Quả thật chúng tôi đã vay mượn một vài kỹ thuật.”
Mọi hình dáng và kích cỡ
Các nhà khoa học hy vọng việc tìm kiếm điểm giống và khác nhau của M87 và Sagittarius A* sẽ giúp họ hiểu rõ hơn về một quần thể lỗ đen rộng lớn hơn. Nếu các lý thuyết phù hợp với những vật thể có kích thước khác nhau như vậy, thì các nhà khoa học có thể tự tin hơn khi đi tìm lời giải cho những vật thể không thể quan sát rõ một cách chính xác.
“Việc xác minh là rất khó trong ngành của chúng tôi. Chúng tôi đâu bay tới được một lỗ đen và nói, Này, chuyện gì đang xảy ra ở đây vậy? Nhưng đại khái đó là điều chúng tôi có thể làm ở đây,” Markoff cho biết.
Hai lỗ đen này cũng cho phép các nhà vật lý học kiểm chứng thuyết tương đối rộng do Albert Einstein đề ra năm 1916. Lỗ đen là một dự đoán của giả thuyết, và là một kết quả mà bản thân Einstein hoài nghi. Nhưng bên cạnh một vài bí ẩn trong lĩnh vực lượng tử, thuyết tương đối rộng dường như vẫn đứng vững cho đến ngày nay, mặc cho các nhà khoa học dự đoán môi trường vật lý thiên văn khắc nghiệt sẽ đánh đổ nó.
“Nếu bạn lấy hai vật thể bất kỳ trong vũ trụ có khối lượng chênh lệch 1500, chúng sẽ chẳng còn giống nhau nữa – lấy một hành tinh khổng lồ và một tiểu hành tinh bé, lấy một thiên hà lớn và một thiên hà bé, một con kiến và một con voi, một hòn đá nhỏ và một ngọn núi,” Psaltis cho biết.
“Mọi lý thuyết trên đời đều có thang đo, và khi bạn thay đổi từ thang này sang thang khác, chúng sẽ trông rất khác. Ngoại trừ thuyết tương đối rộng. Đó là một giả thuyết độc đáo không có thang đo. Bạn quan sát vật thể nhỏ nhất và lớn nhất và thấy chúng hoạt động hệt như nhau.”
Dịch bởi Kenhsinhvien.vn
(Theo National Geographic)
(Theo National Geographic)
