Ngày 10/4/2019 trở thành cột mốc đáng nhớ trong lịch sử khám phá vũ trụ của loài người: Lần đầu tiên các nhà khoa học công bố bức ảnh chứng minh được sự tồn tại của hố đen - vốn là thực thể không gian bí ẩn, khổng lồ, tồn tại những hiện tượng trái với mọi quy luật vật lý thông thường.
Hành trình giải mã hố đen - "quái vật vũ trụ" khổng lồ ấy, chắc chắn chưa dừng lại sau bức ảnh đầu tiên được hơn 200 nhà khoa học quốc tế thuộc dự án Kính thiên văn Chân trời sự kiện (EHT) thực hiện dày công trong 10 năm kể từ ý tưởng chụp hố đen đầu tiên được đưa ra năm 2009.
Hình ảnh hố đen do kính EHT chụp được, được các nhà khoa học cung cấp hôm 10/4/2019. Nguồn: EHT Collaboration
"Cực phẩm" hố đen được đánh giá là công trình xứng đáng nhận giải Nobel, bởi để có được nó, hàng trăm nhà khoa học phải dành 2 năm liên tục để thu thập và ghép các dữ liệu ảnh lấy được từ 8 kính thiên văn khổng lồ (thuộc EHT) nằm rải rác khắp hành tinh.
Và rồi bức ảnh hoàn chỉnh đầu tiên về hố đen ra đời. Tuy nhiên, dù cho có bao nhiêu cố gắng của các nhà khoa học thì những hạn chế về kỹ thuật vẫn khiến hình ảnh hố đen chưa thực sự sắc nét. Chụp ảnh hố đen ở khoảng cách 53 triệu năm ánh sáng giống như việc chúng ta quan sát một vật thể có kích thước 1mm từ khoảng cách 13.000 km vậy! Khó khăn là vậy, song lẽ dĩ nhiên, các nhà khoa học không đầu hàng.
Mới đây nhất, một nhóm các nhà thiên văn học đến từ Đại học Radboud (Hà Lan) hợp tác cùng Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) và các đối tác khác, đang phát triển một kế hoạch để có được những bức ảnh hố đen rõ ràng hơn nhiều: Đặt kính viễn vọng Event Horizon Imager (EHI) ngoài không gian.
Cụ thể, họ sẽ phóng kính viễn vọng vô tuyến vào không gian với sứ mệnh thu thập hình ảnh hố đen mang lại chất lượng sắc nét, rõ ràng hơn. Một khi hình ảnh về hố đen rõ ràng, họ mới có cơ sở để kiểm tra Thuyết tương đối rộng của Einstein một lần nữa, đó cùng là mục tiêu cao nhất mà nhóm các nhà thiên văn học công bố trên tạp chí Thiên văn học và Vật lý thiên văn.
Vậy tại sao các nhà khoa học muốn phóng kính viễn vọng vô tuyến vào không gian? Hãy xem câu trả lời đến từ 2 hạn chế của kính thiên văn đặt ở mặt đất.
Loại bỏ 2 hạn chế EHT mắc phải, kính viễn vọng không gian EHI sẽ tạo cuộc cách mạng "đi săn" hố đen?
Thứ nhất, Kính thiên văn Chân trời sự kiện (EHT) bao gồm một nhóm các kính viễn vọng vô tuyến nằm rải rác, độc lập trên khắp thế giới, hoạt động kết hợp với nhau theo nguyên tắc giao thoa kế.
Khi cùng hoạt động, chúng trở thành một máy dò khổng lồ, các phạm vi hoạt động giống như một loại kính viễn vọng ảo có kích thước bằng Trái Đất. Đó là cách chúng ta có một kính viễn vọng đủ lớn để nhìn thấy một hố đen ở khoảng cách cách Trái Đất 53 triệu năm ánh sáng.
Nhưng EHT bị cản trở bởi điều tương tự như các kính thiên văn trên mặt đất khác đang gặp phải: Bầu khí quyển của Trái Đất.
Bầu khí quyển của Trái Đất có thể tạo ra rất nhiều vấn đề cho các nhà thiên văn học. Kính viễn vọng bằng cách nào đó phải thích nghi với bầu khí quyển để thu thập hình ảnh của các vật thể ở khoảng cách rất xa. Đó là lý do tại sao kính viễn vọng được chế tạo ở những vị trí đặc biệt, lý tưởng trong môi trường khô cằn, cao.
Hệ thống Kính viễn vọng Chân trời sự kiện EHT (gồm 8 kính) nằm ở các vị trí cao trên toàn cầu. Chúng ở dãy Alps (châu Âu), dãy núi Sierra Nevada (Mỹ), sa mạc Atacama (Chile) và quần đảo Hawaii.
Hệ thống Kính viễn vọng Chân trời sự kiện EHT (gồm 8 kính) nằm ở các vị trí cao trên toàn cầu, hoạt động theo nguyên tắc giao thoa kế. Ảnh: ESO/L. Calçada
Nhưng chúng vẫn bị giới hạn bởi bầu khí quyển của Trái Đất. Khí quyển ngăn không cho sóng vô tuyến tần số cao nhất đến được kính viễn vọng.
Thứ hai, còn có một yếu tố hạn chế khác cho tính hiệu quả của EHT: Kích thước của Trái Đất.
Trên Trái Đất, chúng ta chỉ có thể sử dụng giao thoa kế để liên kết một phạm vi không thể xa hơn "chiều rộng" của Trái Đất. Vì vậy, bất kỳ kính viễn vọng ảo nào cũng bị giới hạn bởi kích thước của chính hành tinh chúng ta.
Freek Roelofs, thuộc Đại học Radboud (Hà Lan), tác giả chính của bài nghiên cứu về EHI đăng trên tạp chí Thiên văn học và Vật lý thiên văn. Ảnh: Twitter nhân vật.
Do đó, các nhà thiên văn học đến từ Đại học Radboud (Hà Lan) hợp tác cùng Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã đưa ra một giải pháp cho cả vấn đề khí quyển và vấn đề kích thước Trái Đất: Đặt kính thiên văn ngoài không gian. Ý tưởng là đưa 2 hoặc 3 vệ tinh lên quỹ đạo, hoạt động như một đài quan sát vô tuyến.
Họ gọi dự án kính thiên văn ngoài không gian này là Event Horizon Imager (EHI) và nói rằng EHI có thể tạo ra hình ảnh của các hố đen sắc nét gấp 5 lần so với EHT.
Freek Roelofs, thuộc Đại học Radboud (Hà Lan), tác giả chính của bài nghiên cứu cho biết: "Có rất nhiều lợi thế khi sử dụng các vệ tinh như một đài quan sát ngoài không gian, thay vì kính viễn vọng vô tuyến vĩnh viễn trên Trái Đất, như với Kính viễn vọng Chân trời sự kiện (EHT).
Cụ thể ra sao: Trong không gian, bạn có thể quan sát ở tần số vô tuyến cao hơn, bởi vì tần số từ Trái Đất được lọc bởi khí quyển. Khoảng cách giữa các kính viễn vọng trong không gian cũng lớn hơn. Điều này cho phép chúng ta tiến một bước lớn hơn để chụp ảnh hố đen cho độ phân giải cao hơn 5 lần so với EHT."
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra hình ảnh mô phỏng của các hố đen trong tương lai được chụp bởi kính EHI:
EHI có thể chụp ảnh với độ phân giải cao hơn 5 lần so với EHT. Hình ảnh: F. Roelofs và M. Moscibrodzka, Đại học Radboud, Hà Lan.
EHT và EHI "song kiếm hợp bích": Hành trình giải mã hố đen chứa đầy hy vọng
Nếu dự án kính thiên văn ngoài không gian EHI được thực hiện, nó phải "giải quyết" những khó khăn như sau:
Đầu tiên, với EHT, mỗi đài quan sát lưu dữ liệu của nó trên một ổ cứng được gửi đến trung tâm xử lý dữ liệu. Tất cả dữ liệu từ mỗi phạm vi được kết hợp bằng đồng hồ nguyên tử cho độ chính xác cực cao. Nhưng làm thế nào để thực hiện việc đó trong không gian?
"Với EHT, các ổ cứng có dữ liệu được chuyển đến trung tâm xử lý bằng máy bay. Điều đó tất nhiên là không thể có trong không gian.", Volodymyr Kudriashov, một nhà nghiên cứu tại Radboud Radio Lab (Hà Lan), người cũng làm việc tại ESA/ESTEC, nói.
Theo các tác giả, cách giải quyết là sử dụng một liên kết laser để gửi dữ liệu về Trái Đất cho các nhà khoa học xử lý. Việc này đã có tiền lệ, và theo các tác giả, các nhiệm vụ trong không gian sau này đều cần áp dụng thông tin liên lạc bằng laser tinh chỉnh hơn nữa.
Tiếp đến, một thách thức khác là vị trí và tốc độ chính xác của các vệ tinh cần thiết để tạo ra hình ảnh sắc nét.
"Khái niệm này đòi hỏi bạn phải có khả năng xác định vị trí và tốc độ của các vệ tinh rất chính xác", ông Volodymyr Kudriashov nói. "Nhưng chúng tôi thực sự tin rằng dự án hoàn toàn khả thi."
"Thuyết tương đối rộng của Einstein dự đoán chính xác kích thước và hình dạng của một hố đen nên có...."
Cuộc cách mạng trong sứ mệnh chụp ảnh hố đen sắc nét ở khoảng cách cực kỳ xa liệu có thành hiện thực? Các nhà khoa học cho hay, bức ảnh chụp ảnh hố đen đầu tiên là kết quả của 10 năm dày công nghiên cứu cộng với tinh thần hợp tác không thể đồng lòng hơn của 200 nhà khoa học, Vậy tại sao lại không kết hợp EHT với EHI?
Sự thật là, EHI sẽ hoạt động cùng với EHT như một loại giao thoa kế lai, kết hợp dữ liệu từ tất cả các đài quan sát trên mặt đất với dữ liệu từ các đài quan sát trên không!
"Sử dụng một giao thoa kế lai như thế này có thể cung cấp khả năng tạo ra hình ảnh chuyển động của hố đen ở khoảng cách hàng chục triệu năm ánh sáng. Thậm chí bạn có thể quan sát được nhiều hố đen hơn nữa, tỉ mỉ hơn nữa...", tác giả bài viết công trình EHI kết luận.
Những hình ảnh sắc nét hơn về một hố đen sẽ cung cấp cho các nhà khoa học nhiều thông tin tốt hơn để kiểm tra Thuyết tương đối rộng của Einstein một cách chi tiết hơn.
Giáo sư Heino Falcke thuộc nhóm nghiên cứu cho biết: "Việc các vệ tinh di chuyển quanh Trái Đất tạo ra những lợi thế đáng kể. Với chúng, bạn có thể chụp những bức ảnh gần như hoàn hảo để xem chi tiết thực sự của các hố đen. Nếu xảy ra những sai lệch nhỏ so với lý thuyết của Einstein, chúng ta sẽ có thể nhận ra."
Các thử nghiệm sâu hơn về Thuyết tương đối rộng của Einstein là một trong những mục tiêu chính của EHI. Giải thích điều này, Freek Roelofs cho hay: "Thuyết tương đối rộng của Einstein dự đoán chính xác kích thước và hình dạng của một hố đen nên có. Các lý thuyết khác về trọng lực dự đoán các kích cỡ và hình dạng khác nhau của hố đen.
Vì vậy, để có thể phân biệt giữa thuyết tương đối rộng và các lý thuyết khác về trọng lực, chúng ta cần những hình ảnh có độ phân giải cao nhờ các hình ảnh sắc nét có thể thu được từ các đài quan sát trên không gian."
Có nhiều lý thuyết khác nhau về lực hấp dẫn ngoài vũ trụ trong thế giới khoa học, và chúng chủ yếu gắn liền với những câu hỏi chưa được trả lời của loài người xung quanh các hố đen, vật chất tối và năng lượng tối.
Hành trình khám phá những bí mật to lớn trong vũ trụ của loài người chắc chắn sẽ còn dài và gặp nhiều khó khăn. Thế nhưng, chẳng phải phi hành gia người Mỹ Neil Armstrong đã từng nói: "Bí ẩn khơi gợi sự tò mò, sự tò mò là chất liệu tạo nên khát vọng thông hiểu của loài người." đấy sao!
Cùng hy vọng, dự án kính viễn vọng quan sát hố đen ngoài không gian EHI của các nhà thiên văn học sớm khắc phục được những nhược điểm, và nhanh chóng kết hợp với Kính thiên văn Chân trời sự kiện (EHT) để nhân loại nhiều lần nữa quan sát và giải mã thành công hố đen - một trong những bí ẩn vũ trụ thách thức khoa học hàng trăm năm qua!
Bài viết sử dụng nguồn: Universe Today, Science Alert
* Đọc bài cùng tác giả Trang Ly tại đây.