Thành tựu mang tính lịch sử
Hố đen là một vùng không gian - thời gian có trường hấp dẫn mạnh đến mức hiếm có vật chất nào, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra nếu bị hút vào trong. Trong thuyết tương đối rộng của mình, nhà bác học thiên tài Albert Einstein đã tiên đoán sự hình thành của hố đen. Điều này có thể xảy ra khi một ngôi sao lớn gấp khoảng 10 lần mặt trời bị lụi tàn, một lượng vật chất khổng lồ bị trường hấp dẫn dồn vào một phạm vi đủ nhỏ và biến dạng trở thành hố đen. Sau đó, hố đen có thể tiếp tục trở thành siêu khối lượng nếu chúng hút các ngôi sao khác hoặc sáp nhập với hố đen khác. Các hố đen siêu khối lượng này lớn gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần mặt trời.
Trước nay, mặc dù con người đạt được nhiều tiến bộ lớn trong công nghệ kính thiên văn, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thể chụp được hình ảnh của hố đen, bởi kích thước kính thiên văn hiện tại còn quá nhỏ. Bởi vậy, vào tháng 4-2018, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã đưa ra sáng kiến sử dụng cùng lúc nhiều kính thiên văn để có thể ghi lại hình ảnh hố đen. Kết quả là hình ảnh đầu tiên của hố đen đã được chụp bởi dự án kính viễn vọng ảo “Event Horizon” (EHT), gồm mạng lưới tám kính viễn vọng vô tuyến đặt tại nhiều nơi trên thế giới và hoạt động đồng bộ bằng các đồng hồ nguyên tử siêu chính xác. Khi kết hợp các kính thiên văn lại, EHT trở thành một chiếc kính thiên văn đạt tới kích thước lớn tương đương Trái đất.
Với kích cỡ lớn gấp 6,5 tỷ lần mặt trời, hố đen siêu khối lượng được đặt tên là “Powehi”, nằm ở trung tâm của thiên hà Messier 87 cách Trái đất 55 triệu năm ánh sáng. Về lý thuyết, không có ánh sáng nào có thể thoát ra khỏi hố đen, bởi vậy chúng là vô hình. Nhưng sự tồn tại của hố đen vẫn có thể quan sát được nhờ tác động của nó lên vật chất chung quanh. Thực chất, bức ảnh này không phải chụp trực tiếp, mà là chụp phần phản chiếu hình ảnh của hố đen cách nhiều triệu năm ánh sáng. Phần ánh sáng bên ngoài được các nhà khoa học gọi là “chân trời sự kiện”. Đây là vùng ánh sáng hình thành chung quanh hố đen khi một ngôi sao bị hút vào. Các vật chất bị vỡ vụn của ngôi sao tăng tốc, nóng lên và phát ra tia X, nhờ đó kính viễn vọng không gian có thể phát hiện được hố đen thông qua các tia này. Tuy nhiên, phần quan trọng nhất của bức ảnh là vùng tối trung tâm với đường kính khoảng 40 tỷ km.
Bức ảnh hố đen được công bố đồng thời trong các hội nghị diễn ra tại nhiều thành phố lớn như Washington D.C (Mỹ), Brussels (Bỉ), Santiago (Chile), Tokyo (Nhật Bản), Thượng Hải (Trung Quốc)... Như ông Sheperd Doeleman, TS thiên văn học tại Đại học Harvard (Mỹ), Giám đốc EHT cho biết thì: “Hố đen là vật thể bí ẩn nhất trong vũ trụ. Nhưng chúng tôi đã thấy và chụp lại được hình ảnh của hố đen, điều trước đó không ai có thể làm được”. Nhà vật lý thiên văn France Córdova, Giám đốc Quỹ khoa học quốc gia Mỹ (NSF) phát biểu: “Đây là một ngày trọng đại của vật lý thiên văn. Chúng ta đang chứng kiến những điều tưởng chừng không thể thực hiện. Các hố đen đã khơi dậy trí tưởng tượng của con người trong hàng thập kỷ vì những đặc tính kỳ lạ và bí ẩn của chúng. Nhiệm vụ của các nhà khoa học như chúng tôi là tìm câu trả lời cho những điều chưa biết, vén những bức màn bí ẩn của vũ trụ”.
Trang mới của khoa học vũ trụ
Việc thu thập hình ảnh của hố đen là quá trình nỗ lực của các nhà khoa học từ năm 2012 cũng như sự hợp tác giữa nhiều đài thiên văn lớn trên thế giới. Đài thiên văn Nam châu Âu là nơi đầu tiên sử dụng kính thiên văn lớn nhất thế giới “Atacama Large Millimeter/submillimeter Array” (ALMA) ghi lại thông tin về hố đen với khoảng một triệu gigabyte dữ liệu. Lượng dữ liệu này quá lớn để gửi qua mạng internet, nên các ổ cứng máy tính đã được vận chuyển bằng máy bay và sau đó nhập vào các cụm máy chủ đặt tại Đài thiên văn MIT Haystack ở TP Cambridge, thuộc bang Massachusetts (Mỹ) và Viện thiên văn vô tuyến Max Planck ở TP Bon (Đức).
Quá trình này lặp lại tương tự với các dữ liệu từ các kính thiên văn ở nhiều nơi khác. Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng gặp một số trở ngại, như khi tiếp nhận thông tin từ kính viễn vọng vô tuyến thứ tám tại Nam Cực. Do không có chuyến bay nào tới khu vực này từ tháng 2 đến tháng 10, nên toàn bộ dữ liệu cuối cùng do Kính viễn vọng Nam Cực chụp phải bảo quản trong kho lạnh. Cuối cùng, ngày13-12-2017, toàn bộ dữ liệu được chuyển đến Đài thiên văn Haystack. Theo NSF, toàn bộ dữ liệu thu thập được có dung lượng khoảng hơn 5 triệu gigabyte và được lưu trữ trong hơn nửa tấn ổ cứng.
Với nhóm nghiên cứu khoảng 200 người, các nhà khoa học đã dành cả năm 2018 để phân tích cẩn thận dữ liệu thu thập từ tám kính thiên văn và tính toán mọi sai sót do bất kỳ lỗi nào (từ nhiễu loạn trong bầu khí quyển của Trái đất, nhiễu ngẫu nhiên, tín hiệu giả…) để bảo đảm chất lượng, độ chính xác của hình ảnh hố đen. Ngoài ra, nhóm cũng phải phát triển và thử nghiệm các thuật toán mới để chuyển đổi dữ liệu thành hình ảnh.
Ở giai đoạn này, nhiều nhóm nhà khoa học cùng tiến hành phát triển các thuật toán một cách độc lập. Trong số đó, người góp phần quan trọng nhất là Katie Bouman, một sinh viên 29 tuổi tốt nghiệp Học viện công nghệ Massachusetts (Mỹ). Cô Bouman đã tìm ra thuật toán chuyển hóa dữ liệu thô về hố đen thu được từ các kính thiên văn thành hình ảnh. Thuật toán này được cô đặt tên CHIRP, nó là khâu tối quan trọng để dựng được hình ảnh cuối cùng. Mặc dù vậy, cô Bouman hết sức khiêm tốn khi phát biểu ý kiến trên trang facebook cá nhân: “Không có một thuật toán hay cá nhân riêng lẻ nào có thể tạo ra hình ảnh này. Thành quả này đòi hỏi tài năng đáng kinh ngạc của nhóm các nhà khoa học trên toàn cầu. Họ làm việc chăm chỉ trong nhiều năm để phát triển công cụ xử lý dữ liệu, phương pháp dựng hình ảnh và kỹ thuật phân tích cần thiết mới có thể đạt được thành tựu tưởng chừng như không tưởng. Đó thật sự là một vinh dự, và tôi thật may mắn khi có cơ hội được làm việc với tất cả các bạn”.
Theo các nhà nghiên cứu, dự án EHT đã mở ra chương mới cho ngành khoa học vũ trụ, nâng cao hiểu biết của con người về các hố đen. Đầu tiên, đây là sự kiểm chứng rõ ràng cho dự đoán của nhà vật lý Albert Einstein về hình dạng của hố đen trong Thuyết tương đối rộng. Ngoài ra, những hình ảnh chụp được đã mang lại cho các nhà khoa học nhiều hiểu biết mới về môi trường kỳ lạ chung quanh các hố đen, nơi mà lực hấp dẫn mạnh đến mức có thể làm biến dạng không gian - thời gian. Thành tựu này còn mở ra hy vọng hiểu thêm về nguồn gốc của các tia phóng xạ phát ra với tốc độ ánh sáng từ các cực của một số hố đen.
Trong tương lai, nhóm các nhà khoa học đang tiếp tục sử dụng phương pháp mới để nghiên cứu về các hố đen gần hơn như Saggitarius A. Đây là một hố đen cực lớn nằm cách dải ngân hà khoảng 26.000 năm ánh sáng. “Chúng tôi đã đạt được thành tựu được coi là không thể thực hiện trong quá khứ. Những đột phá trong công nghệ, khả năng kết nối giữa các đài quan sát thiên văn vô tuyến tốt nhất thế giới và các thuật toán cải tiến đã phối hợp đồng bộ, mở ra triển vọng tìm hiểu sâu hơn về các hố đen và chân trời sự kiện của nó”, TS Sheperd Doeleman, Giám đốc EHT cho biết.
