Các nhà thiên văn học chụp được hình ảnh đầu tiên của một lỗ đen

Hình ảnh cho thấy lỗ đen ở trung tâm thiên hà Messier 87, 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.

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.

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.

“Chúng tôi đã chụp được bức ảnh đầu tiên về một lỗ đen”, ông Sheperd S. Doeleman, Trung tâm Vật lý thiên văn của 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. "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.

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. 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”. 

M.P