Một mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến quốc tế đã tạo ra hình ảnh cận cảnh đầu tiên về bóng của lỗ đen, mà các nhà khoa học tiết lộ sáng nay (10 tháng 4). Sự hợp tác, được gọi là Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện, đã xác nhận hàng thập kỷ dự đoán về cách ánh sáng hành xử xung quanh các vật thể tối này và tạo tiền đề cho một kỷ nguyên mới của thiên văn học hố đen.
Erin Bonning, nhà nghiên cứu vật lý thiên văn và lỗ đen tại Đại học Emory, người không tham gia vào nỗ lực chụp ảnh cho biết: "Từ thang điểm từ 0 đến đáng kinh ngạc, thật đáng kinh ngạc".
"Điều đó nói rằng, đó là những gì tôi mong đợi," cô nói với Live Science.
Thông báo, được trêu chọc trước khoảng một tuần rưỡi, đã trở nên cực kỳ thú vị và gần như hoàn toàn không có chi tiết đáng ngạc nhiên hoặc vật lý mới. Vật lý đã không bị hỏng. Không có tính năng bất ngờ của lỗ đen được tiết lộ. Hình ảnh gần như là một kết hợp hoàn hảo cho minh họa về các lỗ đen mà chúng ta thường thấy trong văn hóa khoa học và pop. Sự khác biệt lớn là nó rất mờ.
Có một số câu hỏi quan trọng liên quan đến các lỗ đen vẫn chưa được giải quyết, tuy nhiên, Bonning nói.
Làm thế nào để các lỗ đen tạo ra những tia nước khổng lồ của vật chất nóng, nhanh?
Tất cả các lỗ đen siêu lớn có khả năng nhai vật chất gần đó, hấp thụ phần lớn nó qua chân trời sự kiện của chúng và nhổ phần còn lại vào không gian với tốc độ gần bằng ánh sáng trong các tòa tháp vật lý thiên văn gọi là "máy bay phản lực tương đối".
Và lỗ đen ở trung tâm của Xử Nữ A (còn gọi là Messier 87) nổi tiếng với các máy bay phản lực ấn tượng, phun ra vật chất và phóng xạ khắp không gian. Các máy bay phản lực tương đối của nó rất lớn đến nỗi chúng hoàn toàn có thể thoát khỏi thiên hà xung quanh.
Và các nhà vật lý biết những nét rộng về cách điều này xảy ra: Vật liệu tăng tốc đến cực nhanh khi rơi vào trọng lực của lỗ đen, sau đó một số thoát ra trong khi vẫn giữ được quán tính đó. Nhưng các nhà khoa học không đồng ý về các chi tiết về cách điều này xảy ra. Hình ảnh này và các giấy tờ liên quan chưa cung cấp bất kỳ chi tiết.
Chỉ ra rằng, Bonning nói, sẽ là một vấn đề liên kết các quan sát Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện - bao phủ một khoảng không gian khá nhỏ - với hình ảnh lớn hơn nhiều của các máy bay phản lực tương đối.
Mặc dù các nhà vật lý chưa có câu trả lời, cô nói, rất có thể họ sẽ đến sớm - đặc biệt là khi sự hợp tác tạo ra hình ảnh về mục tiêu thứ hai của nó: lỗ đen siêu lớn Sagittarius A * ở trung tâm thiên hà của chúng ta, nơi không sản xuất máy bay phản lực như của Xử Nữ A. So sánh hai hình ảnh, cô nói, có thể cung cấp một số rõ ràng.
Làm thế nào để thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử khớp với nhau?
Bất cứ khi nào các nhà vật lý cùng nhau nói về một khám phá mới thực sự thú vị, bạn có thể mong đợi được nghe ai đó gợi ý rằng nó có thể giúp giải thích "lực hấp dẫn lượng tử".
Đó là bởi vì lực hấp dẫn lượng tử là một ẩn số lớn trong vật lý. Trong khoảng một thế kỷ, các nhà vật lý đã làm việc sử dụng hai bộ quy tắc khác nhau: thuyết tương đối rộng, bao gồm những thứ rất lớn như trọng lực và cơ học lượng tử, bao gồm những thứ rất nhỏ. Vấn đề là, hai quy tắc đó mâu thuẫn trực tiếp với nhau. Cơ học lượng tử không thể giải thích lực hấp dẫn và thuyết tương đối không thể giải thích hành vi lượng tử.
Một ngày nào đó, các nhà vật lý hy vọng sẽ liên kết hai người lại với nhau trong một lý thuyết thống nhất lớn, có khả năng liên quan đến một loại trọng lực lượng tử nào đó.
Và trước khi công bố ngày hôm nay, đã có suy đoán rằng nó có thể bao gồm một số đột phá về chủ đề này. (Nếu dự đoán của thuyết tương đối rộng không được đưa ra trong hình ảnh, điều đó sẽ đưa bóng về phía trước.) Trong một cuộc họp báo từ Quỹ Khoa học Quốc gia, Avery Broderick, nhà vật lý tại Đại học Waterloo, Canada và cộng tác viên trong dự án, đề xuất những loại câu trả lời có thể sẽ đến.
Nhưng Bonning đã hoài nghi về tuyên bố đó. Hình ảnh này hoàn toàn không gây ngạc nhiên từ góc độ tương đối rộng, vì vậy nó không đưa ra vật lý mới nào có thể thu hẹp khoảng cách giữa hai lĩnh vực, Bonning nói.
Tuy nhiên, không có gì điên rồ khi mọi người hy vọng câu trả lời từ loại quan sát này, cô nói, bởi vì rìa của bóng đen mang lực lượng tương đối vào các không gian nhỏ, có kích thước lượng tử.
"Chúng tôi hy vọng sẽ thấy lực hấp dẫn lượng tử rất, rất gần với chân trời sự kiện hoặc rất, rất sớm trong vũ trụ sơ khai", cô nói.
Nhưng ở độ phân giải vẫn còn mờ của Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện, cô nói, chúng ta không thể tìm thấy những loại hiệu ứng đó, ngay cả khi có các bản nâng cấp được lên kế hoạch.
Các lý thuyết của Stephen Hawking có đúng như Einstein không?
Đóng góp lớn nhất trong sự nghiệp đầu tiên của nhà vật lý Stephen Hawking vào vật lý là ý tưởng về "bức xạ Hawking" - rằng các lỗ đen không thực sự đen, nhưng phát ra một lượng nhỏ phóng xạ theo thời gian. Kết quả cực kỳ quan trọng, bởi vì nó cho thấy rằng một khi lỗ đen ngừng phát triển, nó sẽ bắt đầu co lại rất chậm do mất năng lượng.
Nhưng Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện đã không xác nhận hoặc phủ nhận lý thuyết này, Bonning nói, không phải ai cũng mong đợi nó.
Các lỗ đen khổng lồ giống như trong Virgo A, cô nói, chỉ phát ra lượng bức xạ Hawking tối thiểu so với kích thước tổng thể của chúng. Mặc dù các thiết bị tiên tiến nhất của chúng ta giờ đây có thể phát hiện ra ánh sáng rực rỡ của chân trời sự kiện, nhưng rất ít khả năng chúng sẽ trêu chọc ánh sáng cực mờ của bề mặt lỗ đen siêu lớn.
Những kết quả đó, cô nói, có khả năng sẽ đến từ những lỗ đen nhỏ nhất - những vật thể ngắn, lý thuyết, nhỏ đến mức bạn có thể đặt toàn bộ chân trời sự kiện của chúng trong tay bạn. Với cơ hội quan sát cận cảnh và nhiều bức xạ hơn so với kích thước tổng thể của chúng, con người cuối cùng có thể tìm ra cách sản xuất hoặc tìm thấy một và phát hiện bức xạ của nó.
Vậy chúng ta thực sự đã học được gì từ hình ảnh này?
Đầu tiên, các nhà vật lý học rằng Einstein đã đúng, một lần nữa. Rìa của bóng tối, theo như Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện có thể nhìn thấy, là một vòng tròn hoàn hảo, giống như các nhà vật lý trong thế kỷ 20 làm việc với các phương trình tương đối tổng quát của Einstein dự đoán.
"Tôi không nghĩ ai nên ngạc nhiên khi một bài kiểm tra khác về thuyết tương đối rộng đã qua", Bonning nói. "Nếu họ đã bước lên sân khấu và nói rằng thuyết tương đối rộng đã bị phá vỡ, tôi sẽ ngã khỏi ghế."
Kết quả với ý nghĩa thực tế ngay lập tức hơn, cô nói, là hình ảnh cho phép các nhà khoa học đo chính xác khối lượng của hố đen siêu lớn này, nằm cách trung tâm của thiên hà Virgo A 55 triệu năm ánh sáng. Nó lớn gấp 6,5 tỷ lần so với mặt trời của chúng ta.
Đó là một vấn đề lớn, Bonning nói, bởi vì nó có thể thay đổi cách các nhà vật lý cân các lỗ đen siêu lớn ở trái tim của các thiên hà khác, xa hơn hoặc nhỏ hơn.
Ngay bây giờ, các nhà vật lý có một phép đo khá chính xác về khối lượng của lỗ đen siêu lớn ở trung tâm Dải Ngân hà, Bonning nói, bởi vì họ có thể xem trọng lực của nó di chuyển các ngôi sao riêng lẻ trong vùng lân cận như thế nào.
Nhưng trong các thiên hà khác, kính viễn vọng của chúng ta không thể nhìn thấy chuyển động của từng ngôi sao, cô nói. Vì vậy, các nhà vật lý bị mắc kẹt với các phép đo khó khăn hơn: Làm thế nào khối lượng của lỗ đen ảnh hưởng đến ánh sáng đến từ các lớp sao khác nhau trong thiên hà hoặc cách khối lượng của nó ảnh hưởng đến ánh sáng đến từ các lớp khí nổi tự do khác nhau trong thiên hà.
Nhưng những tính toán đó là không hoàn hảo, cô nói.
"Bạn phải mô hình hóa một hệ thống rất phức tạp", cô nói.
Và hai phương pháp cuối cùng tạo ra một số kết quả khác nhau trong mỗi nhà vật lý thiên hà quan sát. Nhưng ít nhất là đối với lỗ đen trong Xử Nữ A, giờ đây chúng ta biết rằng một phương pháp là chính xác.
Sera Markoff, nhà vật lý thiên văn của Đại học Amsterdam và là cộng tác viên của dự án cho biết: "Quyết tâm của chúng tôi về 6,5 tỷ khối lượng mặt trời cuối cùng đã hạ cánh ngay trên quyết định khối lượng nặng hơn từ".
Điều đó không có nghĩa là các nhà vật lý sẽ chuyển bán buôn sang phương pháp đó để đo khối lượng lỗ đen, Bonning nói. Nhưng nó cung cấp một điểm dữ liệu quan trọng để tinh chỉnh các tính toán trong tương lai.
