Bức ảnh lỗ đen khổng lồ kích thước 3,5 triệu GB

Ngày 12/5, các nhà khoa học tại Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đã công bố hình ảnh đầu tiên của Sagittarius A* (Sgr A*), lỗ đen khổng lồ nằm ở trung tâm Dải Ngân hà, được chụp bởi mạng lưới Kính viễn vọng Event Horizon (EHT).

Hình ảnh gồm vòng tròn màu vàng cam, thể hiện độ phát sáng của các vật chất bao quanh Sgr A*. Vào tháng 4/2019, EHT đã lần đầu chụp ảnh lỗ đen ở thiên hà Messier 87 (M87) cách Trái Đất 55 triệu năm ánh sáng. Đây được xem là bước đột phá của ngành thiên văn học nói riêng và vật lý nói chung.

Xác nhận sự tồn tại của lỗ đen

So với M87, Sgr A* gần hơn khi chỉ cách Trái Đất 26.000 năm ánh sáng, khối lượng gấp 4 triệu lần Mặt Trời. Theo The Verge, các nhà khoa học đã dự đoán về sự tồn tại của lỗ đen trong hàng chục năm dựa trên cách vật thể di chuyển xung quanh. Tuy nhiên, đây là lần đầu con người nhìn thấy trực tiếp không gian sâu thẳm, ánh sáng của vật chất bao quanh Sgr A*.

“Cho đến nay, chúng ta chưa có hình ảnh trực tiếp xác nhận Sgr A* thực sự là lỗ đen. Hình ảnh này cho thấy một vòng sáng bao quanh bóng tối, dấu hiệu của bóng lỗ đen”, Feryal Özel, nhà thiên văn học tại Đại học Arizona (Mỹ), thành viên dự án EHT cho biết.

Dù chỉ chụp một vòng sáng, hình ảnh lỗ đen Sgr A* hứa hẹn giúp các nhà khoa học tìm hiểu sâu hơn về vật thể bí ẩn này.

“Chúng ta không thực sự biết tại sao các lỗ đen siêu lớn có thể hình thành và phình to đến như vậy. Do đó, đây là chủ đề nghiên cứu khá tích cực”, Meredith Clark Powell, nhà nghiên cứu lỗ đen từ Đại học Stanford (Mỹ) chia sẻ.

Hình ảnh lỗ đen Sagittarius A* nằm ở trung tâm Dải Ngân hà. Ảnh: Event Horizon Collaboration.

Trên thực tế, con người không thể trực tiếp chụp ảnh lỗ đen bởi chúng không có khả năng được “nhìn thấy”. Kích thước lỗ đen lớn đến mức không vật thể nào thoát khỏi lực hấp dẫn của chúng kể cả ánh sáng. Những gì chúng ta có thể chụp là phần bóng. Bức ảnh của EHT cũng là bóng của lỗ đen, ranh giới gồm bụi và khí phát sáng xung quanh.

Quá trình phân tích kéo dài nhiều năm

Giai đoạn chụp bóng lỗ đen không hề đơn giản. Theo nhóm EHT, sẽ cần một kính thiên văn với kích thước tương đương Trái Đất để chụp ảnh vòng tròn cam, đại diện vật chất xung quanh Sgr A* và M87. Do không thể xây dựng công trình như vậy, EHT đã kết hợp mạng lưới kính thiên văn trải dài trên 5 lục địa, hoạt động đồng thời để quan sát cùng một vật thể.

Cụ thể, nhiều ăng-ten độc lập cách xa hàng chục nghìn km được điều phối, quan sát và ghi lại dữ liệu trong cùng thời điểm, tạo thành mạng lưới kính thiên văn khổng lồ có đường kính tương đương Trái Đất. Dữ liệu từ các kính thiên văn được thu thập và kết hợp để tạo ra hình ảnh hoàn chỉnh.

Hiện nay, EHT sử dụng 11 kính thiên văn vô tuyến, hợp tác với hơn 300 nhà thiên văn học từ 18 tổ chức.

Với lỗ đen M87, EHT sử dụng 8 kính viễn vọng vô tuyến, cùng quan sát lỗ đen trong một tuần vào tháng 4/2017. Tiếp theo là quá trình phân tích, chuyển đổi dữ liệu thành hình ảnh kéo dài suốt 2 năm. Đó cũng là lúc EHT đồng thời quan sát lỗ đen Sgr A*, nhưng việc phân tích dữ liệu khó khăn và tốn thời gian hơn.

“Chụp ảnh bằng EHT giống như nghe nhạc đánh bởi đàn piano thiếu phím”, Katie Bouman, nhà thiên văn học tại Viện Công nghệ California so sánh. Dù gần Trái Đất hơn M87, Sgr A* khá nhỏ và ít hoạt động. Vật chất bao quanh lỗ đen có ánh sáng nhấp nháy kỳ lạ khiến Sgr A* thay đổi hình dạng sau vài phút, gây khó khăn khi quan sát theo thời gian.

Sgr A* cách Trái Đất khoảng 26.000 năm ánh sáng, so với 55 triệu năm ánh sáng của lỗ đen M87. Ảnh: National Science Foundation.

Do nằm trong Dải Ngân hà, Sgr A* cũng khó quan sát từ Trái Đất hơn. Quan sát lỗ đen này đồng nghĩa nhìn qua mặt phẳng thiên hà (galactic plane), cũng như toàn bộ vật chất khí giữa Trái Đất và lỗ đen. Điều đó khiến các nhà khoa học can thiệp rất nhiều để tạo ra ảnh lỗ đen hoàn chỉnh.

Vincent Fish, nhà thiên văn học tại Đài quan sát MIT Haystack, cộng tác viên của EHT cho biết các nhà khoa học đã thu thập khoảng 3,5 PB (3,5 triệu GB) dữ liệu khi quan sát lỗ đen Sgr A*, tương đương 100 triệu video ngắn trên Internet. Theo Fish, nhóm nghiên cứu đã vận chuyển hàng trăm ổ cứng đến các trung tâm tại Westford, Massachusetts, và Bonn (Đức).

Ở đó, các siêu máy tính tổng hợp, tinh chỉnh tín hiệu trong lúc nhà khoa học tạo ra hình ảnh chất lượng nhất về bóng và luồng plasma của lỗ đen. Một phần quá trình phải chuyển sang phân tích từ xa do dịch bệnh bùng phát.

Những kết luận quan trọng

Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, lỗ đen là vật thể có lực hấp dẫn mạnh đến mức không một thứ gì, kể cả ánh sáng hoặc âm thanh, thoát ra ngoài. Tuy nhiên, chúng có thể là những vật sáng nhất trong vũ trụ. Các vật chất rơi vào lỗ đen được nung nóng tới hàng triệu độ. Phần lớn vật chất sẽ biến mất trong lỗ đen, số còn lại bị phun ra bởi áp suất và từ trường.

Hình ảnh của Sgr A* không quá sắc nét do hạn chế của kính thiên văn hiện nay. Tuy nhiên, chừng đó là đủ để các nhà khoa học đưa ra nhiều kết luận quan trọng. Thứ nhất, Sgr A* không quá “háu đói” do chỉ một phần nhỏ vật chất bao quanh lỗ đen thực sự bị hút vào trong.

Kích thước của Sgr A* so với M87. Ảnh: National Science Foundation.

Tiếp theo, Sgr A* không chuyển nhiều năng lượng hấp dẫn thành ánh sáng. Trên một số lỗ đen như M87, lực hấp dẫn có thể tăng tốc độ plasma, khiến vật chất bắn ra ngoài dưới dạng tia sáng. Điều đó không xảy ra với Sgr A*, lỗ đen có tính chất hoạt động khá cơ bản.

“Sgr A* cho chúng ta cái nhìn về trạng thái chuẩn của một lỗ đen, yên tĩnh và bình lặng… Trong khi M87 nổi bật do các đặc điểm bất thường, Sgr A* thú vị nhờ sự phổ biến”, Michael Johnson, nhà vật lý thiên văn tại Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard & Smithsonian cho biết.

Sau khi công bố hình ảnh lỗ đen, EHT đã chia sẻ một số kế hoạch trong tương lai, bao gồm bổ sung nhiều kính thiên văn hơn để tạo ra Kính viễn vọng Event Horizon thế hệ tiếp theo (ngEHT). Kính này có thể giúp nhà khoa học tạo ra hình ảnh chuyển động, phân tích quá trình tiến hóa của lỗ đen thay vì cho ra ảnh tĩnh như hiện nay.