Đài Quan sát Nam Châu Âu (ESO) công bố hình ảnh đầu tiên chụp hố đen siêu lớn ở trung tâm Ngân Hà. Kết quả này cho thấy thật sự có hố đen siêu lớn ở trung tâm Ngân Hà, những nghiên cứu trước đây của các nhà khoa học là có cơ sở và có giá trị.

Hình ảnh được cùng tạo nên bởi nhóm nghiên cứu toàn cầu Kính Thiên văn Chân trời Sự kiện (Event Horizon Telescope – EHT), sử dụng mạng lưới các kính thiên văn vô tuyến trên toàn thế giới.

Vén màn bí ẩn hàng thập niên

Chúng ta đã chờ đợi bức ảnh này từ rất lâu, nhằm chứng kiến trực tiếp một vật thể khổng lồ nằm ngay giữa lòng Ngân Hà.

Các nhà khoa học trước đây đã quan sát thấy các ngôi sao chuyển động quanh một vật gì đó vô hình, rất dày đặc và rất to lớn ở trung tâm Ngân Hà. Vật thể đó được đặt tên là Sagittarius A* (Sgr A*), và được gợi ý là một hố đen siêu lớn. Hình ảnh này là bằng chứng trực quan đầu tiên về nó.

Mặc dù không thể nhìn thấy được hố đen vì chúng hoàn toàn tối, nhưng chúng ta thấy khí phát sáng xung quanh nó tạo thành một vòng sáng bao lấy một vùng trung tâm tối (hay vùng tối). Bức ảnh bạn đang xem ghi lại cảnh ánh sáng bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn mạnh mẽ của hố đen nặng gấp 4 triệu lần Mặt Trời của chúng ta.

Nhà khoa học Geoffrey Bower của Dự án EHT từ Viện Thiên văn và Vật lý thiên văn, Academia Sinica, Đài Bắc, cho biết:

“Chúng tôi rất ngạc nhiên bởi kích thước của vòng sáng phù hợp với những dự đoán từ Thuyết tương đối rộng của Einstein. Những quan sát chưa từng có này giúp mở rộng đáng kể hiểu biết của chúng ta về những gì đang xảy ra ở chính trung tâm Ngân Hà, cũng như về cách mà các hố đen tương tác với môi trường xung quanh.”

Hố đen này cách Trái Đất khoảng 27.000 năm ánh sáng, nếu có thể nhìn thấy, nó sẽ trông như một chiếc bánh vòng có kích thước cỡ Mặt Trăng trên bầu trời.

Kết quả của nhóm EHT được công bố trên số đặc biệt của The Astrophysical Journal Letters.

Nỗ lực hợp tác thế giới

Để tạo ra bức ảnh này, các nhà khoa học đã tạo ra hệ thống EHT mạnh mẽ được liên kết từ 8 đài quan sát sóng vô tuyến có sẵn với nhau, kết quả ta có được một kính thiên văn ảo lớn bằng Trái Đất^[1].

EHT đã quan sát Sgr A* vào các đêm trong năm 2017, thu thập dữ liệu từ nhiều giờ liên tiếp, cách làm tương tự như chụp hình phơi sáng trên máy ảnh.

Ngoài các đài quan sát khắp thế giới, EHT còn có Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) và Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) ở hoang mạc Atacama tại Chile, chúng được đồng sở hữu và đồng vận hành bởi các quốc gia châu Âu thành viên của ESO.

Châu Âu cũng đóng góp vào EHT với các đài quan sát sóng vô tuyến khác như kính thiên văn 30 mét IRAM ở Tây Ban Nha, từ năm 2018 là NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) ở Pháp, cũng như một siêu máy tính để tổng hợp dữ liệu của EHT của Viện nghiên cứu Thiên văn Vô tuyến Max Planck ở Đức. Dự án EHT cũng được châu Âu tài trợ thông qua Hội đồng Nghiên cứu châu Âu và Hiệp hội Max Planck ở Đức.

Tổng Giám đốc Xavier Barcons của Đài Quan sát Nam Châu Âu (ESO) hào hứng:

“Thật vui khi ESO đóng góp một vai trò quan trọng trong việc làm sáng tỏ những bí ẩn của hố đen trong suốt nhiều năm qua, mà đặc biệt là Sgr A*.”^[2]

M87* và Sagittarius A*

Năm 2019, dự án EHT đã đạt được thành tựu sau khi công bố hình ảnh đầu tiên về một hố đen, được gọi là M87* ở trung tâm thiên hà M87 xa xôi. Hai hố đen trông rất giống nhau mặc dù hố đen của Ngân Hà nhỏ hơn một ngàn lần và nhẹ hơn so với M87*^[3].

Thành tựu lần này còn đáng kể hơn so với M87* mặc dù Sgr A* gần chúng ta hơn.

Sera Markoff, đồng Chủ tịch Hội đồng Khoa học EHT và là giáo sư Vật lý thiên văn tại Đại học Amsterdam, Hà Lan, chia sẻ:

“Chúng ta có hai loại thiên hà hoàn toàn khác nhau và hai hố đen với khối lượng khác nhau, nhưng rìa của những hố đen này trông giống nhau đến kinh ngạc.”

Nhà khoa học Chi-kwan (‘CK’) Chan từ Đài Quan sát Steward, Khoa Thiên văn học và Khoa học Dữ liệu, Đại học Arizona, Hoa Kỳ, giải thích:

“Khí ở vùng xung quanh hố đen Sgr A* và M87* di chuyển cùng một tốc độ, nhanh gần như tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, khí mất từ vài ngày đến vài tuần để chuyển động quanh M87* trước khi bị nuốt vào vì hố đen này lớn hơn, trong khi đối với Sgr A* thì chỉ cần vài phút.

Điều này có nghĩa là độ sáng và thành phần khí quanh Sgr A* đang thay đổi nhanh chóng khi EHT quan sát nó, giống như một con chó chạy vòng quanh để đuổi theo đuôi của mình.”

Các nhà nghiên cứu phải phát triển các công cụ mới tinh vi hơn để tính toán chuyển động của khí xung quanh Sgr A. Đối với M87, dòng khí ổn định hơn, tất cả dữ liệu ghi được đều trông như nhau, thì đối với Sgr A* là chuyện khác hẳn. Hình ảnh hố đen Sgr A* mà bạn đang xem là một bức ảnh tổng hợp để lấy trung bình vì các bức ảnh thay đổi khác nhau liên tục.

Hố đen và lịch sử các thiên hà

Nỗ lực này đã được thực hiện bởi 300 nhà nghiên cứu từ 80 viện nghiên cứu trên khắp thế giới, cùng nhau tạo nên mạng lưới EHT. Ngoài việc tự phát triển thêm các công cụ phức tạp để vượt qua các thách thức mà Sgr A* mang lại, nhóm nghiên cứu còn phải làm việc nghiêm túc trong 5 năm, sử dụng các siêu máy tính để tổng hợp và phân tích dữ liệu, đồng thời còn tạo nên một thư viện chưa từng có về các hố đen để mô phỏng và so sánh với các quan sát.

Các nhà khoa học đặc biệt vui mừng khi cuối cùng cũng có hình ảnh về hai hố đen với kích thước khác nhau, mang đến cơ hội giúp hiểu hơn về chúng, có thể so sánh để xem sự tương phản giữa chúng.

Các nhà nghiên cứu cũng bắt đầu sử dụng dữ liệu mới này để kiểm tra các lý thuyết, mô hình về cách mà khí di chuyển, tương tác quanh các hố đen siêu lớn. Quá trình này tuy chưa được thực hiện xong, nhưng hứa hẹn là một công việc đóng vai trò quan trọng giúp ta hiểu biết về sự hình thành và tiến hóa của các thiên hà.

Nhà khoa học Keiichi Asada của EHT từ Viện Thiên văn và Vật lý thiên văn, Academia Sinica, Đài Bắc, cho biết:

“Nhờ có dữ liệu và hình ảnh của hai hố đen, một thì nhỏ và một thì lớn, chúng ta có thể tiến xa hơn để biết thêm về cách trọng lực vận hành như thế nào trong những môi trường khắc nghiệt như vậy.”

Dự án EHT vẫn đang được tiếp tục, một chiến dịch quan sát lớn đã được khởi động vào tháng 3 năm 2022 với sự tham gia của nhiều kính thiên văn hơn bao giờ hết.

Sự mở rộng mạng lướt EHT và những nâng cấp công nghệ đáng kể sẽ cho phép các nhà khoa học công bố thêm nhiều ảnh hố đen ấn tượng nữa mà thậm chí là phim, trong tương lai gần.

Chú thích

[1] Các kính thiên văn riêng lẻ tham gia EHT vào tháng 4 năm 2017 khi các quan sát được tiến hành, gồm có Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), Kính Thiên văn 30 mét IRAM, Kính Thiên văn James Clerk Maxwell (JCMT), Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), Submillimeter Array (SMA), UArizona Submillimeter Telescope (SMT), South Pole Telescope (SPT). Kể từ đó, EHT đón nhận thêm sự tham gia của Greenland Telescope (GLT), NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) và Kính thiên văn 12 mét UArizona ở Đỉnh núi Kitt.

[2] Đây là một cơ sở vững chắc để các nhà khoa học tiến hành thực hiện quan sát Sgr A*. Các nhà thiên văn học từ những năm 1970 đã biết đến nguồn sóng vô tuyến rất mạnh đến từ trung tâm Ngân Hà, khu vực chòm sao Sagittarius.

Bằng cách tính quỹ đạo của một số ngôi sao nằm gần trung tâm Ngân Hà trong khoảng thời gian 30 năm, các nhóm khoa học dẫn đầu bởi Reinhard Genzel, Giám đốc Viện Vật lý học Ngoài Trái Đất Max – Planck ở Garching, gần Munich, Đức và Andrea M. Ghez, Giáo sư Khoa Vật lý và Thiên văn tại Đại học California, Los Angeles, Hoa Kỳ, đã có thể kết luận rằng lời giải thích khả dĩ nhất cho một vật thể có khối lượng lớn và mật độ vật chất dày đặc là một hố đen siêu lớn.

[3] Hố đen là vật thể duy nhất có khối lượng bằng với kích thước mà chúng ta từng biết. Một hố đen nhỏ hơn 1.000 lần so với hố đen khác, tức là cũng nhẹ hơn 1.000 lần.

Bài dịch bởi Quang Niên.

Bài viết gốc được đăng trên ESO.