Cú nhảy vọt vĩ đại của hành trình săn lùng hố đen: Lập nên kỳ tích không tưởng ở thế kỷ 21

Gần một tháng sau sự kiện đi vào lịch sử khám phá vũ trụ của nhân loại khi lần đầu tiên các nhà thiên văn học công bố bức ảnh chứng minh sự tồn tại của hố đen vào tháng 4/2019. Hơn 100 năm sau dự đoán thiên tài của nhà bác học Albert Einstein về hố đen trong Thuyết tương đối, cuối cùng "quái vật vũ trụ" ấy cũng sa lưới nhân loại.

Tất nhiên, hố đen bí ẩn như chính cái tên của nó, mặc dù vậy, sự kiện thiên văn học đáng nhớ vào những ngày đầu tháng 4/2019 trở thành một bước tiến lớn trong hành trình giải mã hố đen nói riêng và con đường chinh phục vũ trụ nói chung của loài người.

Vậy, làm cách nào mà các nhà thiên văn học đạt được bước tiến vĩ đại đến thế? Họ đã săn con "quái vật vũ trụ" ấy như thế nào? Và ý nghĩa của sự kiện này trong hành trình khám phá vũ trụ của loài người cụ thể ra sao? The Conversation⁽¹⁾ cung cấp bài viết tựa đề "Observing the Invisible: The long journey to the first image of a black hole" (tạm dịch: Quan sát "quái vật" vô hình: Hành trình săn lùng bức ảnh hố đen đầu tiên trong lịch sử) sẽ sáng tỏ các vấn đề trên.

Bức ảnh đầu tiên về hố đen siêu lớn tại trung tâm thiên hà Messier 87 (M87), cách Trái Đất 53 triệu năm ánh sáng, chứng minh một điều (theo một nghĩa nào đó), nhân loại đã quan sát được "thứ vô hình".

Sinh ra từ cái chết của một ngôi sao khổng lồ, bản chất hố đen là thứ không thể nhìn thấy bởi chúng là một vùng không-thời gian có trường hấp dẫn cực kỳ mạnh (hãy tưởng tượng ánh sáng một khi đã bị hút vào hố đen thì không thể nào thoát ra được).

Do đó, việc quan sát và chụp hình hố đen sẽ không đơn thuần như việc các nhà thiên văn học quan sát ngôi sao và các vật thể khác trong không gian.

Bài toán vũ trụ này được giải sau hơn một thập kỷ bởi hơn 200 nhà khoa học, thiên văn học, kỹ sư tài năng trên thế giới thuộc dự án Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (Event Horizon Telescope - EHT). 

Cụ thể ra sao?

Hố đen vô hình nhưng việc nó "nuốt" vật chất/năng lượng/ánh sáng trong vũ trụ khiến chúng hiện hình. Bằng cách này, tập thể các nhà khoa học đã quan sát được hố đen thông qua việc dựa vào nguồn bức xạ khổng lồ phát ra khi vật chất bị "quái vật" này nuốt chửng.

Sau khi tìm được cách khiến hố đen phải hiện nguyên hình, hơn 200 nhà khoa học tiếp tục giải quyết bài toán "Làm sao để chụp hình hố đen?". Đáp án nhanh chóng được EHT giải quyết khi các nhà khoa học quyết định đặt 8 kính thiên văn khổng lồ tại Chile, quần đảo Hawaii, bang Arizona (Mỹ), Mexico, Tây Ban Nha và cực Nam của Trái Đất.

Bằng cách sử dụng kỹ thuật giao thoa kế với đường cơ sở rất dài, để tạo thành một mạng lưới kính thiên văn khổng lồ có đường kính tương đương đường kính Trái Đất (12.742 km), cuối cùng "quái vật vũ trụ" đã sa lưới!

Hiện lên trước mắt hơn 200 nhà khoa học của EHT là hình ảnh ma quái của những luồng plasma khổng lồ, hình tròn, màu vàng cam.

Hố đen khổng lồ của M87 có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần Mặt Trời của chúng ta. Có kích cỡ vô cùng khổng lồ: Gần bằng dài Ngân Hà của chúng ta.

Riêng, chân trời sự kiện của nó có bán kính khoảng 20 tỷ km, gấp ba lần khoảng cách từ sao Diêm Vương đến Mặt Trời của chúng ta. Hố đen của M87 lớn gấp 1.500 lần so với hố đen Sagittarius A*.

Để hiểu "cực phẩm" mà hơn 200 nhà khoa học tạo dựng được này, các nhà khoa học đã ví: Hố đen của M87 ở rất xa, và kỳ tích kỹ thuật đáng kinh ngạc này (chụp được hố đen) giống như việc cố gắng quan sát một vật thể có kích thước 1mm từ khoảng cách 13.000km!

Trên thực tế, dữ liệu hình ảnh hố đen được lấy vào năm 2017 nhưng các nhà khoa học đã phải mất 2 năm để ghép các dữ liệu hình ảnh lại với nhau từ 8 đài quan sát độc lập nằm rải rác trên toàn cầu như một máy dò khổng lồ, để cho ra bức hình đi vào lịch sử như EHT vừa công bố ngày 10/4/2919.

Bức ảnh chụp hố đen đầu tiên, được đánh giá là hoàn toàn xứng đáng với giải Nobel này, không phải là một khám phá tình cờ mà là công trình có được dựa trên các bộ óc vĩ đại trong suốt chiều dài lịch sử khám phá khoa học của nhân loại.

Nhà thiên văn học người Anh John Michell (1724-1793) là người đầu tiên trong lịch sử đưa ra ý tưởng về "sao tối" (ẩn tinh) trong vũ trụ năm 1783. Theo John Michell, ẩn tinh có mật độ rất lớn và lực hấp dẫn mạnh đến nỗi tất cả ánh sáng "định" phát ra đều bị hút lại, ngay cả khi đó là một photon (một dạng bức xạ điện từ, có thể di chuyển với tốc độ ánh sáng) cũng không thể thoát ra.

Mãi đến thập kỷ thứ hai của thế kỷ 21, các nhà khoa học hiện đại mới chứng minh được những gì John Michell dự đoán khi đó: Tháng 1/2019, các nhà thiên văn học công bố một hình ảnh phát xạ đến từ nguồn phát vô tuyến thiên văn sáng và rất đậm đặc tại trung tâm của dải Ngân Hà có tên Sagittarius A*.

Ngay trung tâm Ngân Hà của chúng ta có thể tồn tại một hố đen khổng lồ có tên Sagittarius A*. Ảnh minh họa: Internet

Nhiều chuyên gia cho rằng Sagittarius A* là vị trí của một hố đen siêu khối lượng, nằm ngay trung tâm Ngân Hà của chúng ta.

3 tháng sau, Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) đã thành công trong việc giải quyết chân trời sự kiện xung quanh hố đen siêu lớn ở M87, một thiên hà cách chúng ta hơn 50 triệu năm ánh sáng.

Đầu những năm 1900, vật lý thiên văn vươn lên tầm cao mới sau những nghiên cứu vượt thời đại của Albert Einstein trong công trình khoa học mang tên Thuyết tương đối, mô tả cấu trúc của không gian và thời gian trong một thực thể thống nhất gọi là không-thời gian; cũng như giải thích bản chất của lực hấp dẫn là do sự uốn cong của không-thời gian bởi vật chất và năng lượng.

Thuyết Tương đối (năm 1916) của Einstein chỉ ra rằng, vũ trụ tồn tại vùng không-thời gian tựa một "con quái vật" đúng nghĩa, với khả năng nuốt chửng mọi loại vật chất, năng lượng, ngay cả ánh sáng cũng bị bẻ cong bởi nó.

Ngay sau đó, vào năm 1916, các nhà thiên văn học, vật lý học Karl Schwarzschild (1873-1916, người Đức) và Johannes Droste (1886-1963, người Hà Lan) đã độc lập nhận ra rằng các phương trình trường Einstein⁽²⁾ đưa ra cách giải quyết cho "điểm kỳ dị toán học" - một điểm không thể phân chia của khối lượng và khối lượng vô hạn.

Trong hai thập kỷ 1920 và 1930, khi nghiên cứu về sự tiến hóa của một ngôi sao, giới vật lý hạt nhân đã đưa ra kết luận: Nếu có khối lượng đủ lớn, trong giai đoạn cuối của quá trình tiến hóa sao, một ngôi sao sẽ kết thúc bằng một vụ nổ khổng lồ, dẫn đến "điểm kỳ dị" và tạo ra một ngôi sao băng giá (frozen star).

Nhà thiên văn học John Michell (phải) và nhà vật lý học Albert Einstein là 2 bộ óc vĩ đại, đưa ra những ý tưởng ban đầu về hố đen. Ảnh: Internet

Thuật ngữ này (điểm kỳ dị) phản ánh bản chất tương đối kỳ quái của thời gian trong Thuyết tương đối của Einstein. Ở chân trời sự kiện, thời gian sẽ đóng băng.

Trong khi thiên hà của chúng ta có thể chứa hàng triệu hố đen khối lượng lớn thì chân trời sự kiện của chúng quá nhỏ để quan sát. Ví dụ, nếu Mặt Trời của chúng ta bị hút vào một hố đen, bán kính chân trời sự kiện của hố đen khi đó chỉ là 3km!

Chính vì thế, mục tiêu của EHT chủ yếu săn tìm các hố đen siêu lớn nằm ở trung tâm các thiên hà.

Thuật ngữ "Hố đen" thực sự chỉ được sử dụng vào những năm cuối thập kỷ 1960 (do nhà thiên văn học người Mỹ John Wheeler (1911-2008) đưa ra lần đầu tiên vào năm 1967), khi đó các nhà thiên văn học bắt đầu nghi ngờ rằng các ẩn tinh có khối lượng thực sự lớn đang ẩn nấp đâu đó giữa các thiên hà.

Có vô số lý thuyết nói đến sự hình thành của hố đen. Và cũng có không ít những dự đoán về hố đen ngay trong chính dải thiên hà của chúng ta.

Năm 1972, các nhà thiên văn học Robert Sanders và Thomas Lowinger tính toán rằng: Ở trung tâm Ngân Hà tồn tại "một khối vật chất dày đặc" tương đương với khoảng 1.000.000 khối lượng Mặt Trời!

Đến năm 1978, nhà thiên văn học Wallace Sargent và đồng nghiệp đã xác định có "một khối vật chất dày đặc" gấp 5 tỷ lần khối lượng Mặt Trời nằm ở trung tâm của thiên hà M87 gần chúng ta. Tuy nhiên, về sau, các nhà khoa học lại cho rằng đó là một nhóm các hành tinh và những ngôi sao chết.

Một phân tích khoa học năm 1999 có đoạn: Trong những năm gần đây, dự đoán về sự tồn tại của một khối vật chất dày đặc ở trung tâm Ngân Hà (ý chỉ hố đen Sagittarius A* về sau) đã trở nên rất mạnh. Tuy nhiên, bằng chứng chứng minh vật thể này là một hố đen vẫn còn thiếu. Một đặc điểm để xác định hố đen chính là chân trời sự kiện. Đối với một nhà quan sát thiên văn, chân trời sự kiện tạo ra một "cái bóng" lớn xung quanh hố đen. Để quan sát được "cái bóng" này chúng ta phải chờ vào những kỹ thuật đặc biệt trong nhiều năm tới, Astronomy thông tin.

20 năm sau phân tích trên, kỳ tích đã xảy ra vào thập kỷ thứ 2 của thế kỷ 21. Tháng 4/2019, hành trình khám phá hố đen nói riêng và vũ trụ nói chung bước sang một trang mới: Hình bóng mờ ảo (cái bóng) khổng lồ của hố đen tại thiên hà M87 đã được quan sát và chụp lại. Đây thực sự là công trình khoa học đáng kinh ngạc của nhân loại.

Hệ thống 8 đài quan sát độc lập nằm rải rác trên toàn cầu thuộc dự án EHT, chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu hình ảnh đầu tiên của hố đen. Nguồn: EHT

Bức ảnh hố đen được chụp lần đầu tiên trong lịch sử đóng vai trò hết sức quan trọng: Nó khẳng định dự đoán hơn 200 năm của nhà khoa học là đúng đắn; Đồng thời thể hiện sức mạnh trí tuệ của tập thể các nhà khoa học trên thế giới; cũng như khẳng định vai trò số một của khoa học/kỹ thuật trong hành trình khám phá vũ trụ.

Bức ảnh đầu tiên về hố đen không chỉ chứng minh sức mạnh dự đoán của các bộ óc khoa học vĩ đại, kết hợp với trí tượng tưởng không giới hạn của con người mà còn cho thấy lòng quyết tâm và sự ham học hỏi của biết bao thế hệ các nhà khoa học trên thế giới.

Và tất nhiên, hành trình khám phá hố đen chưa thể dừng lại. Giới khoa học tuyệt đối không "ngủ quên trên chiến thắng". Ngay sau khi hoàn thành bức ảnh hố đen đầu tiên này, các nhà thiên văn học đã có tham vọng thực hiện những bức ảnh hố đen của M87 rõ nét hơn. Không những thế, họ còn muốn quan sát hố đen khổng lồ ngày trong Ngân Hà của chúng ta (hố đen Sagittarius A*).

Bên cạnh việc cải tiến và nâng cấp hệ thống kính thiên văn trên toàn cầu, các nhà khoa học cũng đang tập trung vào một hướng nghiên cứu khác là quan sát và tìm hiểu những luồng hạt bức xạ có năng lượng cực lớn và vận tốc cực nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng được phát ra từ rìa hố đen.

Hy vọng trong tương lai không xa, chúng ta lại được chứng kiến những thành tựu khoa học vũ trụ mang đậm dấu ấn trí tuệ nhân loại vượt trội như thế!

Chú thích:

(1) Đôi nét về webisite The Conversation: Là website chuyên phân tích, bình luận, nghiên cứu các tin tức, công trình khoa học trên toàn thế giới. Tính đến năm 2015, đã có 27.000 tác giả học thuật viết bài cho The Conversation.

Webisite The Conversation ra mắt lần đầu tiên tại Australia năm 2011, và đã mở rộng thành các phiên bản tại Vương quốc Anh năm 2013, Mỹ năm 2014, châu Phi năm 2015, Pháp năm 2015 , Canada năm 2017, Indonesia năm 2017 và Tây Ban Nha năm 2018.

The Conversation được tài trợ bởi các trường đại học và khu vực nghiên cứu, chính phủ và doanh nghiệp.

(2) Phương trình Einstein hay Phương trình trường Einstein là một hệ gồm 10 phương trình trong Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein miêu tả tương tác cơ bản là hấp dẫn bằng kết quả của sự cong của không thời gian do có mặt của vật chất và năng lượng.

Bài viết sử dụng các nguồn: The Conversation, Astronomy

* Đọc bài cùng tác giả Trang Ly tại đây.