Vào tháng 4 năm 2019, lịch sử hợp tác Kính viễn vọng Chân trời đã tạo nên lịch sử khi công bố hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen từng được chụp. Thành tựu này đã được thực hiện trong nhiều thập kỷ và tạo ra một rạp xiếc truyền thông quốc tế. Bức ảnh là kết quả của một kỹ thuật gọi là giao thoa kế, trong đó các đài quan sát trên khắp thế giới kết hợp ánh sáng từ kính viễn vọng của họ để tạo ra một hình ảnh tổng hợp.
Hình ảnh này cho thấy những gì các nhà vật lý thiên văn đã dự đoán trong một thời gian dài, rằng sự uốn cong hấp dẫn cực độ làm cho các photon rơi vào xung quanh chân trời sự kiện, góp phần tạo ra các vòng sáng bao quanh chúng. Tuần trước, vào ngày 18 tháng 3, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian (CfA) đã công bố nghiên cứu mới cho thấy hình ảnh lỗ đen có thể tiết lộ một cấu trúc phức tạp bên trong chúng.
Nghiên cứu mô tả những phát hiện của họ, có tiêu đề Chữ ký giao thoa của Universal Universal của một vòng photon lỗ đen, gần đây đã xuất hiện trên tạp chí Tiến bộ khoa học. Nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi Michael Johnson, nhà vật lý thiên văn của CfA, và các thành viên từ Sáng kiến Lỗ đen Harvard (BHI), Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, Trung tâm Khoa học Lý thuyết Princeton và nhiều trường đại học.
Như Johnson đã giải thích trong một thông cáo báo chí gần đây của CfA:
Hình ảnh của một lỗ đen thực sự chứa một loạt các vòng lồng nhau. Mỗi vòng liên tiếp có cùng đường kính nhưng ngày càng sắc nét hơn vì ánh sáng của nó quay quanh lỗ đen nhiều lần hơn trước khi đến tay người quan sát. Với hình ảnh EHT hiện tại, chúng tôi đã bắt gặp một cái nhìn thoáng qua về sự phức tạp đầy đủ sẽ xuất hiện trong hình ảnh của bất kỳ lỗ đen nào.
Như định luật tương đối rộng nói với chúng ta, các trường hấp dẫn làm thay đổi độ cong của không thời gian. Trong trường hợp lỗ đen, hiệu ứng cực kỳ lớn và khiến cả ánh sáng (photon) không đồng đều xung quanh chúng. Những photon này tạo bóng trên vòng sáng của khí và bụi không đổi được gia tốc tới tốc độ tương đối tính bằng trọng lực lỗ đen.
Xung quanh khu vực bị che khuất này là một vòng photon của người Hồi giáo được sản xuất từ các photon tập trung bởi lực hấp dẫn mạnh gần lỗ đen. Chiếc nhẫn này có thể nói với các nhà thiên văn học rất nhiều về một lỗ đen vì kích thước và hình dạng của nó cho thấy khối lượng và vòng quay (hay còn gọi là quay spin) của lỗ đen. Do các hình ảnh EHT, các nhà nghiên cứu lỗ đen hiện có một công cụ để nghiên cứu các lỗ đen.
Từ những năm 1950, các nhà thiên văn học đã học được rất nhiều về chúng bằng cách nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến môi trường xung quanh. Nói cách khác, nghiên cứu về các lỗ đen là gián tiếp và mang tính lý thuyết. Nhưng với khả năng chụp ảnh các thiên thể này, các nhà thiên văn học cuối cùng có thể nghiên cứu chúng trực tiếp và lượm lặt dữ liệu thực.
George Wong, một sinh viên tốt nghiệp vật lý tại Đại học Illinois tại Urbana-Champaign, chịu trách nhiệm phát triển phần mềm để tạo ra hình ảnh lỗ đen mô phỏng. Phần mềm này là những gì cho phép các hình ảnh có độ phân giải cao nhất cho đến nay được tính toán và cho phép nhóm của họ phân tách chúng thành loạt hình ảnh phụ được dự đoán. Như Wong chỉ ra:
Tập hợp các chuyên gia từ các lĩnh vực khác nhau cho phép chúng tôi thực sự kết nối sự hiểu biết lý thuyết về vòng photon với những gì có thể với sự quan sát. Những gì bắt đầu như các tính toán bằng bút chì và giấy cổ điển đã thúc đẩy chúng tôi đẩy các mô phỏng của mình lên các giới hạn mới.
Tuy nhiên, điều đặc biệt đáng ngạc nhiên đối với các nhà nghiên cứu là cách cấu trúc được tiết lộ bởi hình ảnh lỗ đen tạo ra cơ hội mới cho nghiên cứu. Mặc dù các chuỗi con mà chúng tiết lộ thường không thể nhìn thấy bằng mắt thường trên hình ảnh, chúng tạo ra các tín hiệu rất rõ khi được quan sát bởi các mảng của kính viễn vọng sử dụng giao thoa kế.
Điều này trình bày cho các nhà thiên văn học một cách tương đối dễ dàng để mở rộng công việc được thực hiện bởi sự hợp tác EHT cho đến nay. Johnson Trong khi chụp ảnh lỗ đen thường đòi hỏi nhiều kính viễn vọng phân tán, các dây con là hoàn hảo để nghiên cứu chỉ sử dụng hai kính viễn vọng cách nhau rất xa, ông Johnson nói. Thêm một kính viễn vọng không gian vào EHT là đủ.
Các lĩnh vực thiên văn học và vật lý thiên văn đã trải qua nhiều cuộc cách mạng trong những năm gần đây. Giữa những lần quan sát đầu tiên của các vật thể liên sao, sự xác nhận của sóng hấp dẫn và những quan sát trực tiếp đầu tiên về một lỗ đen. Những lần đầu tiên đã cho phép nghiên cứu hứa hẹn sẽ mở khóa một số bí ẩn lâu dài về vũ trụ.
Nghiên cứu của nhóm nghiên cứu đã được thực hiện một phần nhờ các khoản tài trợ của NASA, Quỹ khoa học quốc gia (NSF), Bộ năng lượng (DoE), và nhiều cơ sở nghiên cứu và khoa học.
