Vật thể lớn nhất trên bầu trời đêm của chúng ta cho đến nay! Đối tượng là Hố đen siêu lớn (SMBH) ở trung tâm thiên hà Milky Way của chúng ta, được gọi là Sagittarius A. Nhưng chẳng mấy chốc, chúng ta có thể có một hình ảnh của Sagittarius A chân trời sự kiện. Và hình ảnh đó có thể đặt ra một thách thức đối với Thuyết Einstein Thuyết tương đối rộng.
Không ai có thể nhìn thấy một lỗ đen chân trời sự kiện. Lực hấp dẫn mãnh liệt ngăn không cho bất cứ thứ gì, ngay cả ánh sáng, thoát ra. Chân trời sự kiện là điểm không thể quay lại. Không có vấn đề, không có ánh sáng, và không có thông tin có thể thoát ra. Nhưng chúng ta có thể sắp có được hình ảnh của chân trời sự kiện Sagittarius A, nhờ Kính viễn vọng chân trời sự kiện (EHT).
EHT là một sự hợp tác quốc tế được thiết kế để điều tra môi trường xung quanh ngay lập tức của một lỗ đen. Nó không phải là một kính viễn vọng, mà là một hệ thống kính thiên văn vô tuyến được liên kết trên toàn cầu, tất cả đều hoạt động cùng nhau bằng phương pháp giao thoa kế. Bằng cách đo năng lượng điện từ từ khu vực xung quanh lỗ đen với nhiều đĩa radio ở nhiều vị trí, một số tính chất của nguồn có thể được suy ra.
Các nhà nghiên cứu với EHT hy vọng rằng những quan sát của họ cuối cùng sẽ cung cấp hình ảnh về các hiệu ứng hấp dẫn dữ dội mà chúng ta mong đợi nhìn thấy gần hố đen. Họ cũng hy vọng phát hiện một số động lực học tại nơi làm việc gần lỗ hổng khi vật chất quay quanh trong đĩa bồi tụ đạt tốc độ tương đối tính.
Dự án EHT đã thu thập dữ liệu về Nhân Mã A và một lỗ đen khác có tên M87 ở trung tâm của thiên hà Xử Nữ, trong khoảng thời gian bốn năm. Bốn năm đó đã kết thúc vào tháng 4 năm 2017, nhưng nhóm 200 nhà khoa học và kỹ sư vẫn đang phân tích dữ liệu. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu đã phát hành hình ảnh mô hình máy tính về những gì họ hy vọng sẽ thấy.
Hình ảnh có vẻ không nhiều, nhưng nó rất quan trọng. Nó tương đương với việc đọc một tiêu đề báo trên mặt trăng khi đứng trên Trái đất. Hình ảnh có thể giúp chúng tôi trả lời một số câu hỏi khó hiểu liên quan đến các lỗ đen:
- Lỗ đen đóng vai trò gì trong sự hình thành các thiên hà?
- Ánh sáng và vật chất trông như thế nào khi chúng rơi xuống một lỗ đen?
- Các luồng năng lượng bắn ra từ các lỗ đen được làm bằng gì?
Cũng có khả năng hình ảnh mà EHT tạo ra của Nhân Mã A sẽ có nghĩa là Thuyết Einstein Thuyết tương đối rộng sẽ cần phải được cập nhật. (Mặc dù nó thường là một ý tưởng tồi để đặt cược vào Einstein.)
Lỗ đen và Chân trời sự kiện
Các lỗ đen về cơ bản là một xác chết ngôi sao. Khi một ngôi sao rất lớn đốt cháy tất cả nhiên liệu của nó, nó sụp đổ thành một điểm cực kỳ dày đặc, hoặc kỳ dị. Lỗ đen có lực hấp dẫn cực kỳ mạnh mẽ, kéo khí và bụi về phía nó. Cứ sau 10.000 năm, Sagittarius A thậm chí còn tiêu thụ một ngôi sao.
Chân trời sự kiện giống như một cái vỏ bao quanh lỗ đen. Một khi bất kỳ vấn đề nào, hay thậm chí là ánh sáng đến được chân trời sự kiện, trò chơi đó đã kết thúc. Lỗ đen phát triển kích thước khi nó tiêu thụ vật chất và chân trời sự kiện cũng mở rộng.
Sagittarius A, Hố đen siêu khổng lồ (SMBH) của chúng ta, rất lớn. Nó có khối lượng lớn gấp 4 triệu lần so với Mặt trời. Nhưng dù vậy, nó không quá lớn so với các SMBH khác. SMBH khác trong dự án EHT lớn hơn nhiều, với khối lượng gấp 7 tỷ lần so với Mặt trời.
EHT sẽ tạo ra một hình ảnh về chân trời sự kiện bằng cách nghiên cứu khu vực xung quanh lỗ đen. Một cái gì đó xảy ra với vật liệu khi nó rơi vào lỗ đen. Nó tạo thành một đĩa bồi tụ khí và bụi xoáy mà về cơ bản trong một mô hình giữ cho đến khi nó bị hút vào lỗ. Vật liệu đó tăng tốc đến tốc độ tương đối tính, có nghĩa là gần với tốc độ ánh sáng. Khi điều đó xảy ra, vật liệu bị quá nhiệt và nó phát ra năng lượng.
Nhưng lỗ đen mạnh mẽ đến mức hấp dẫn đến nỗi nó bẻ cong ánh sáng đó trong một hiện tượng gọi là thấu kính hấp dẫn. Việc thấu kính này tạo ra một vùng tối mà bóng được gọi là bóng đen lỗ đen. Theo lý thuyết, chân trời sự kiện nên lớn hơn bóng khoảng 2,5 lần. Vì vậy, một khi các nhà khoa học có một hình ảnh của bóng tối, họ biết kích thước của chân trời sự kiện. Kích thước của chân trời sự kiện tỷ lệ thuận với khối lượng lỗ đen. Vì vậy, trong trường hợp của Sagittarius A, nó phải là khoảng 24 triệu km (15 triệu dặm) đường kính.
Vì vậy, đã giành được bất kỳ hình ảnh nào của lỗ đen, nhưng sẽ có hình ảnh của bóng của các lỗ đen. Về mặt khoa học, đó là một bước nhảy vọt lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về các lỗ đen. Và trong trường hợp có bất kỳ nghi ngờ nào về sự tồn tại của các lỗ đen, hình ảnh của bóng tối sẽ cung cấp bằng chứng chắc chắn rằng các lỗ đen thực sự nằm ngoài đó.
EHT và máy bay phản lực
Mặc dù Sagittarius có một kích thước đồ sộ, nhưng nó rất nhỏ trên bầu trời. Nó rất nhỏ cho một kính thiên văn nhìn thấy. Đó là lý do tại sao EHT được thực hiện. Nó kết hợp 7 kính viễn vọng vô tuyến riêng biệt trên khắp thế giới thành một kính viễn vọng ảo lớn bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là Giao thoa kế đường cơ sở rất dài (VLBI), một thứ mà các nhà thiên văn học quen thuộc. Kính thiên văn ảo có sức mạnh phân giải lớn hơn nhiều so với một phạm vi duy nhất và cho phép các nhà thiên văn học nghiên cứu khu vực gần Sgr. A.
Trong khoảng thời gian một tuần vào tháng 4 năm 2017, nhóm EHT đã chỉ tất cả bảy phạm vi của nó tại Sgr A và bảy đồng hồ nguyên tử đã ghi lại thời gian xuất hiện của tín hiệu ở mỗi kính viễn vọng. Bằng cách nghiên cứu và kết hợp các tín hiệu, các nhà khoa học có thể tạo ra một bức tranh về Sgr A. Đây là một quá trình tốn nhiều thời gian mà Lôi đang diễn ra.
Các máy bay phản lực tràn đầy năng lượng ra khỏi vùng lân cận lỗ đen được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm. Các vấn đề xoay quanh trong một lỗ đen bồi đĩa nóng lên đến hàng tỷ độ. Một số trong số đó đi vào lỗ đen, nhưng không phải tất cả.
Các máy bay phản lực tràn đầy năng lượng là bộ phận thoát ra khỏi đĩa bồi tụ. Chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng trong hàng chục ngàn năm ánh sáng. Các nhà khoa học muốn biết thêm về họ.
Khi nói đến Sgr. A, chúng tôi không biết nếu có máy bay phản lực. Nó đã rất tích cực trong vài thập kỷ qua, vì vậy có thể không có máy bay phản lực. Nhưng nếu họ ở đó, EHT sẽ nhận tín hiệu radio. Sau đó, chúng tôi có thể nhận được câu trả lời cho một số câu hỏi cơ bản về máy bay phản lực:
- Làm thế nào để họ bắt đầu?
- Làm thế nào để họ tăng tốc đến tốc độ tương đối?
- Làm thế nào để họ tập trung chặt chẽ?
- Chính xác thì chúng được làm bằng gì?
Là lý thuyết Einstein Einstein về thuyết tương đối rộng trong rắc rối?
Chắc là không. Nhưng có một cơ hội.
Hầu hết Hệ mặt trời của chúng ta là một nơi khá bình thường. Và đó, nơi mà hầu hết các bằng chứng quan sát của chúng tôi hỗ trợ Thuyết tương đối rộng đến từ. Nhưng khu vực xung quanh một lỗ đen không phải là một khu phố bình thường.
Điều kiện có cực. Trọng lực cực lớn, các tia nước quá nóng của vật chất chuyển động ở gần tốc độ ánh sáng và chân trời sự kiện. Nhưng liên quan đến Thuyết tương đối rộng, nó chủ yếu nói về trọng lực và ánh sáng.
Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng trọng lực của lỗ đen sẽ làm cong thời gian không gian và hút mọi thứ về phía nó, bao gồm cả ánh sáng. Dữ liệu được thu thập bởi EHT sẽ cung cấp các phép đo về hiện tượng này có thể so sánh với các dự đoán của Einstein. Nếu dữ liệu khớp với dự đoán, Einstein sẽ thắng một lần nữa.
Thuyết tương đối rộng đưa ra một dự đoán khác: bóng đổ bởi đĩa bồi tụ phải là hình tròn. Nếu nó không tròn, và nhiều hình trứng, thì các công thức trong Thuyết tương đối rộng không hoàn toàn chính xác.
John Wardle là một nhà thiên văn học, người đã nghiên cứu các lỗ đen trong nhiều thập kỷ, trở lại khi chúng vẫn chỉ là một công trình lý thuyết. Anh ấy tham gia rất nhiều vào dự án EHT. Wardle nghĩ rằng Thuyết tương đối rộng sẽ đứng vững trước thử nghiệm này và Einstein sẽ chiến thắng một lần nữa. Nhưng nếu Thuyết tương đối rộng thất bại trong bài kiểm tra này, chúng tôi sẽ thấy mình trong một tình huống rất khó khăn và kỳ lạ.
Sau đó, chúng tôi sẽ mặc một chiếc áo khoác thẳng vì bạn có thể thực hiện các thay đổi làm rối tung tất cả các bit khác đang hoạt động, Wardle nói. Điều đó sẽ rất thú vị.
- Thông cáo báo chí của Đại học Brandeis: Lỗ đen trông như thế nào?
- Kính viễn vọng chân trời
- Wikipedia Entry: Giao thoa kế
- Mục nhập Wikipedia: Chân trời sự kiện
