Làm thế nào để chụp ảnh một hố đen?

Chụp ảnh một vật thể mà ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi nghe có vẻ bất khả thi. Vậy mà nhà vật lý thiên văn Shep Doeleman cùng 250 nhà nghiên cứu đã làm được điều đó bằng cách biến toàn bộ Trái Đất thành một kính viễn vọng. Câu chuyện đằng sau bức ảnh hố đen đầu tiên tiết lộ rất nhiều về giới hạn của khoa học, sự kiên trì và lòng tin vào những tiên đoán lý thuyết.

Một hố đen nhỏ bé nhưng sáng chói

Nhiều người hình dung hố đen là những "cỗ máy nuốt chửng" khổng lồ. Thực tế, chúng lại nhỏ một cách đáng ngạc nhiên so với khối lượng của mình. Khi vật chất bị nén vào một thể tích đủ nhỏ, lực hấp dẫn sẽ vượt khỏi tầm kiểm soát và vật chất sụp đổ thành một điểm có mật độ vô hạn. Bao quanh điểm đó là chân trời sự kiện — ranh giới nơi lực hấp dẫn mạnh đến mức ánh sáng không thể thoát ra ngoài.

Minh họa cấu trúc hố đen và chân trời sự kiện

Nghịch lý nằm ở chỗ: dù là vật thể tối nhất trong vũ trụ, hố đen lại có thể trở thành những ngọn hải đăng sáng nhất. Vật chất bị hút vào sẽ va đập, nén chặt và nóng lên tới hàng trăm tỷ độ, phát ra ánh sáng rực rỡ. Một hố đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà có thể sáng hơn toàn bộ ánh sáng của các ngôi sao trong thiên hà đó cộng lại.

Nguyên lý của kính viễn vọng cỡ Trái Đất

Độ phân giải góc của một kính viễn vọng phụ thuộc vào bước sóng quan sát chia cho kích thước của kính. Muốn nhìn thấy vật thể nhỏ hơn, bạn phải dùng bước sóng ngắn hơn hoặc kính lớn hơn. Hố đen là những vật thể nhỏ nhất mà lý thuyết hấp dẫn của Einstein tiên đoán, nên để "nhìn" được chúng, ta cần một kính viễn vọng có kích thước gần bằng đường kính Trái Đất.

Ý tưởng này đã xuất hiện từ thập niên 1960 nhờ kỹ thuật giao thoa kế đường đáy rất dài (VLBI). Bí quyết nằm ở chỗ: tín hiệu vô tuyến thu được ở Chile có thể được gắn nhãn thời gian bằng đồng hồ nguyên tử, rồi so khớp với tín hiệu thu được ở Hawaii. Khi ghép hai dạng sóng lại với nhau, ta có thể căn chỉnh các đỉnh và đáy sóng như thể chúng được thu bởi một kính viễn vọng duy nhất. Đó chính là cách biến Trái Đất thành một chiếc kính khổng lồ.

Dự án Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT) đã liên kết các đài quan sát ở Nam Cực, Chile, Mexico, Hawaii, Arizona, Tây Ban Nha và Pháp. Các nhà khoa học phải mang thiết bị riêng đến, lắp đặt vào những kính viễn vọng vốn được thiết kế cho mục đích khác, vận hành chúng theo cách chưa từng có, rồi mang dữ liệu đi và nhiều tháng sau mới công bố kết quả.

Độ chính xác của đồng hồ là yếu tố sống còn. Nhóm nghiên cứu dùng đồng hồ maser hydro, loại chỉ sai khoảng một giây sau 10 triệu năm. Nếu tín hiệu bị rung lệch vì đồng hồ không ổn định, các dạng sóng sẽ không bao giờ khớp được với nhau.

Độ phân giải đáng kinh ngạc

Hố đen siêu khối lượng ở trung tâm Dải Ngân Hà nặng gấp 4 triệu lần Mặt Trời, cách chúng ta khoảng 27.000 năm ánh sáng. Toàn bộ phần chân trời sự kiện bị bẻ cong ánh sáng chỉ chiếm khoảng 50 micro giây cung trên bầu trời. Để dễ hình dung: nếu bạn đứng ở New York và người bạn đứng ở Los Angeles cầm một đồng xu, bạn có thể đọc được ngày tháng in trên đồng xu đó.

Kỹ thuật xử lý nhiễu trong quan sát thiên văn

Đó là lý do nhóm nghiên cứu phải đẩy kỹ thuật lên tần số 230 GHz — đủ cao để ánh sáng xuyên qua lớp khí và bụi dày đặc, đồng thời đạt độ phân giải cần thiết. Quá trình này mất gần 20 năm.

Bức ảnh đầu tiên lại không phải "hố đen nhà"

Khi Doeleman gửi lời mời dự họp báo, nhiều nhà thiên văn kỳ vọng sẽ thấy Sagittarius A* — hố đen ở trung tâm thiên hà của chúng ta. Nhưng bức ảnh công bố lại là M87*, hố đen cách Trái Đất 55 triệu năm ánh sáng trong chòm sao Xử Nữ.

Lý do rất thực tế: M87* nặng gấp 6 tỷ lần Mặt Trời, nên vật chất quay quanh nó chậm hơn nhiều. Trong một đêm quan sát, nó gần như đứng yên, cho phép cộng dồn dữ liệu để tạo ra hình ảnh sắc nét. Ngược lại, Sagittarius A* chỉ nặng 4 triệu lần Mặt Trời, vật chất quay quanh nó chỉ mất khoảng nửa giờ, khiến hình ảnh liên tục thay đổi và khó chụp hơn rất nhiều.

"Yay cho Einstein"

Khi đặt thước đo lên vùng không thời gian quanh chân trời sự kiện, nhóm nghiên cứu xác nhận rằng với khối lượng của chúng, cả hai hố đen đều có kích thước đúng như Einstein tiên đoán, nằm trong sai số đo đạc. Đây là bằng chứng mạnh nhất cho sự tồn tại của các hố đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà.

Quá trình tạo ảnh cũng là một bài học về phương pháp khoa học. Nhóm nghiên cứu chia thành bốn đội ở các địa điểm khác nhau, cô lập hoàn toàn để tránh hiệu ứng tư duy tập thể. Mỗi đội dùng một thuật toán khác nhau. Khi tất cả cùng trình bày kết quả tại Trụ sở Sáng kiến Hố đen của Đại học Harvard vào tháng 7 năm 2018, cả bốn đều cho ra hình vành khuyên. Sau đó, họ dành sáu tháng huấn luyện thuật toán để cố tình phá vỡ hình vành khuyên — nhưng dữ liệu luôn quay về với nó.

"Chúng tôi theo đuổi không chỉ một cuốn sách ảnh để bày bàn trà. Chúng tôi theo đuổi phép đo thực sự về bản chất cơ bản của vũ trụ."

Mô phỏng hình ảnh vành khuyên ánh sáng quanh hố đen

Bước tiếp theo: những thước phim về hố đen

Vì Sagittarius A* biến đổi liên tục với tốc độ nhanh, nó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho mục tiêu tiếp theo của EHT: quay phim hố đen. Doeleman cho biết nhóm đang hướng tới việc quan sát vật chất quay quanh hố đen theo thời gian thực, và ông kỳ vọng điều này có thể thành hiện thực vào đầu thập niên 2030.

Với độc giả Việt Nam, câu chuyện này mang một thông điệp đáng suy ngẫm: những đột phá lớn lao thường không đến từ thiết bị hoàn toàn mới, mà từ việc tận dụng những gì đã có theo cách chưa ai từng nghĩ tới. EHT không xây kính viễn vọng mới — họ kết nối những kính viễn vọng sẵn có và giải quyết bài toán phối hợp phức tạp giữa hàng trăm con người trên khắp hành tinh.