Untitled 66 Soá 5 naêm 2019 KH&CN nước ngoài Mục tiêu hoàn hảo Để nhận biết sự hiện diện của lỗ đen, chúng ta thường căn cứ vào các bằng chứng gián tiếp do ảnh hưởng tác động của lực hấp dẫn, chẳng hạ[.]
nguồn: Eht collaboration, et al (2019) Hình ảnh bóng lỗ đen chụp EHT Kh&Cn nướC KH&CN nước Nguyễn Đức Phường đại học quốc gia hà nội Các nhà thiên văn sử dụng mạng lưới kính viễn vọng Chân trời kiện (EHT) trải khắp địa cầu để chụp hình ảnh chi tiết siêu lỗ đen nằm trung tâm thiên hà Messier 87 (M87) - lỗ đen M87* Những hình ảnh kết nghiên cứu cơng bố The Astrophysical Journal Letters ngày 10/4/2019 Sự kiện gây chấn động giới khoa học toàn cầu nằm ngồi dự đốn Mục tiêu hồn hảo Để nhận biết diện lỗ đen, thường vào chứng gián tiếp ảnh hưởng tác động lực hấp dẫn, chẳng hạn quan sát quỹ đạo sao, đám sao, đĩa khí xung quanh lỗ đen, quan sát xạ lượng cao, sóng hấp dẫn… Tuy nhiên, chụp ảnh quan sát trực tiếp lỗ đen cịn nằm ngồi tầm với nhà khoa học Giấc mơ tận mục sở thị lỗ đen thúc nhà khoa học lên kế hoạch chụp ảnh vùng bóng chân trời kiện lỗ đen siêu lớn Hai ứng viên sáng giá là: siêu lỗ đen nằm 66 trung tâm dải Ngân hà mang tên Sgr A* siêu lỗ đen khác (M87*) nằm trung tâm thiên hà elip khổng lồ M87, cách Trái đất 53,5±1,63 triệu năm ánh sáng - thiên hà lân cận thuộc đám thiên hà Xử nữ, đồng thời nguồn phát xạ mạnh, đặc biệt phát xạ sóng vơ tuyến Trước hết, thử xem Sgr A* siêu lỗ đen gần Trái đất nhất, có khối lượng khoảng 4,31±0,38 triệu lần khối lượng Mặt trời, cách Trái đất 7,940±420 pc (khoảng 26.000 năm ánh sáng) có thích hợp để lên kế hoạch chụp ảnh không? Thật không may, gần Trái đất, Số năm 2019 nhà khoa học phải đối mặt với nhiều thách thức Do khoảng không gian sao, cụ thể khơng gian Sgr A* Trái đất chứa nhiều bụi khí dày đặc hấp thụ khuếch tán xạ từ Sgr A* khiến việc chụp ảnh phổ khả kiến bất khả thi Các nhà khoa học nỗ lực để quan sát Sgr A* phổ vơ tuyến Các hệ kính giao thoa vơ tuyến sử dụng nhằm nhìn xun thấu đám mây bụi khí mơi trường liên cực đại hóa độ phân giải Độ phân giải đạt quan sát bước sóng 1,3 mm 37 μas (μas - phần triệu giây cung) Do vậy, nhà KH&CN nước khoa học lên kế hoạch sử dụng hệ EHT để có nhìn chân thực Sgr A* Ngoài “bức tường” ngăn cản tầm nhìn thân vị trí Sgr A* mặt phẳng thiên hà biến động nhiễu loạn quỹ đạo trung tâm dải Ngân hà, nơi có mật độ phân bố dày đặc Ngoài ra, đối tượng biến động nhanh, gây khó cho nhà khoa học thu thập liệu phân tích để nhận diện Như vậy, dường Sgr A* mục tiêu ưu tiên mà nhà khoa học hướng đến Thế cịn lỗ đen M87* sao? Kích thước lỗ đen tỷ lệ thuận với khối lượng nó, tức lỗ đen lớn bóng lớn Mặc dù xa Trái đất (xa Sgr A* khoảng 2.000 lần), khối lượng lỗ đen M87* lớn Sgr A* 1.000 lần Nhờ khối lượng khổng lồ không xa so với thang đo vũ trụ, tồn tại, lỗ đen trung tâm thiên hà M87 dự đoán mục tiêu tuyệt vời quan sát thấy từ Trái đất Bên cạnh đó, biến thiên tính chất ổn định dài nên nhà khoa học dễ nắm bắt Các dịng khí bụi xoáy quanh lỗ đen M87* chuyển động thay đổi độ sáng chậm so với Sgr A* Điều giống việc chụp ảnh đứa trẻ hiếu động ngọ nguậy cô gái tạo dáng Chắc chắn chụp cô gái dễ dàng nhiều Một điều đặc biệt môi trường liên liên thiên hà lỗ đen trung tâm thiên hà M87 “trong” hơn, khiến việc quan sát thuận lợi nhiều Môi trường liên thiên hà elip “sạch” thiên hà xoắn ốc, thiên hà lùn thiên hà không chúng tận dụng triệt để khí hình thành Những lý đủ cho thấy, M87* ứng viên sáng giá vũ trụ cho việc chụp ảnh siêu lỗ đen diện trung tâm thiên hà elip khổng lồ Kỹ thuật quan sát đột phá Các lỗ đen tồn hầu hết thiên hà vũ trụ Để chụp lỗ đen khoảng cách xa, nhà thiên văn phải thiết kế hệ thống quan sát đặc biệt với độ phân giải chưa có, hàng chục μas, tức quan sát cam đặt Mặt trăng, điều mà kính thiên văn thơng thường khơng thể làm Nói cách ví von kính viễn vọng lớn Trái đất Hệ kính viễn vọng chân trời kính thiên văn Nó tổ hợp gồm hệ kính hoạt động bước sóng 1,3 mm bao gồm: SMA, JCMT, SMT, LMT, PV, APEX, ALMA, SPT đặt vị trí khác Trái đất là: Arizona, Hawai, Mexico, Chile, Tây Ban Nha Nam Cực Có thể ví EHT kính thiên văn ảo khổng lồ hoạt động dựa kỹ thuật giao thoa kế đường sở dài với nguyên lý kết hợp đồng đồng thời quan sát đối tượng từ đài thiên văn vô tuyến trải rộng khắp địa cầu Khoảng cách kính thiên văn độc lập hệ thống EHT coi đường trải dài từ 160 m đến 10.700 km Theo cách này, EHT đạt độ phân giải chưa có Về mặt lý thuyết, đạt phân giải tới 25 phần triệu giây quan sát bước sóng 1,3 mm, tức có khả chụp ảnh với độ phân giải cao 2.000 lần so với Kính viễn vọng khơng gian Hubble Tín hiệu nhận từ kính thiên văn đơn lẻ xác định thời gian xác đồng hồ nguyên tử đài quan sát Dữ liệu kính thiên văn thu khoảng 350 terabyte ngày Hàng tỷ byte liệu thô lưu trữ ổ đĩa cứng chuyển đến trung tâm xử lý Các siêu máy tính đặt Viện Thiên văn vơ tuyến Max Planck Bonn (Đức) Đài thiên văn Haystack Viện Công nghệ Massachusetts - MIT (Mỹ) kết hợp xử lý liệu từ kính thiên văn độc lập thơng qua thuật tốn để tái tạo hình ảnh gọi CHIRP (Continuous Highresolution Image Reconstruction using Patch priors) Đây thuật toán phức tạp phải giải nhiều vấn đề nảy sinh quan sát từ mặt đất, chẳng hạn nhiễu loạn vơ tuyến, tiếng ồn khí quyển, đồng liệu từ đài thiên văn độc lập hệ thống EHT… Thuật tốn Mạng lưới kính thiên văn tham gia dự án EHT Số năm 2019 67 KH&CN nước ngồi phát triển nhà khoa học nữ trẻ, tài Katie Bouman Sau đó, hàng chục nhà khoa học máy tính sử dụng thuật toán để xử lý liệu thu thập từ dự án EHT Có thể nói, thành mà EHT thu khơng kỳ tích nghiên cứu vũ trụ chưa có thực tập thể gồm 200 nhà khoa học từ 59 viện nghiên cứu thuộc 20 quốc gia vùng lãnh thổ giới mà cịn đột phá cơng nghệ quan sát Những hình ảnh chưa có Chúng ta biết rằng, gọi lỗ đen quan sát khơng gian tối tăm vũ trụ Lý khí bụi nóng sáng tạo thành đĩa khí bồi tụ quay xung quanh lỗ đen có nhiệt độ hàng triệu, chí hàng tỷ độ phát xạ mạnh tất dải sóng phổ điện từ khiến lỗ đen trở nên “sáng” Theo thuyết tương đối rộng lỗ đen có vùng bóng tối với kích thước lớn 2,6 lần bán kính chân trời kiện (bán kính Schwarzschild) Các nhà thiên văn học quan sát M87* vào ngày 5, 6, 10 11/4/2017 với loạt lần quét từ đến phút ngày điều kiện thời tiết vô thuận lợi Bao nỗ lực nhà khoa học đền đáp hàng petabyte liệu Hình ảnh thu M87* tái tạo hình ảnh dựa số liệu thu thập từ kính thiên văn Tất nhiên, hình ảnh thấy khơng phải ánh sáng thực kính thiên văn quan sát bước sóng 1,3 mm, tức vùng sóng điện từ ngồi vùng khả kiến mà mắt ta khơng thể quan sát thấy Màu cam đỏ hiển thị màu giả phản ánh cường độ xạ vật chất quan sát Hình ảnh cho thấy, vùng tối đen phía bóng chân trời kiện lỗ đen vùng bên ngồi vịng trịn sáng Đây vùng bóng chân trời kiện lỗ đen trung tâm thiên hà M87 Theo đó, nhà khoa học ước tính chân trời kiện M87* có kích thước khoảng 38 tỷ km (gấp lần đường kính quỹ đạo Hải Vương tinh) [1] Vùng khơng gian từ rìa ngồi bóng lỗ đen chân trời kiện tạo xạ, bao gồm ánh sáng khả kiến, bị lực hấp dẫn mạnh mẽ lỗ len “khống chế” khiến quỹ đạo bị bẻ cong “chạy” lịng vịng bên ngồi chân trời kiện khó khăn Đây khơng phải vùng đen tuyệt đối có xạ từ Trong vùng này, vật chất không phát xạ đủ mạnh để quan sát thấy chúng sáng chói Trước đây, sử dụng kỹ thuật khác nhau, Hình ảnh tái tạo lỗ đen trung tâm thiên hà elip M87 thực EHT nguồn: Eht collaboration, et al (2019) 68 Soá naêm 2019 Cận cảnh lõi thiên hà M87 nơi tồn siêu lỗ đen luồng vật chất bao gồm hạt lượng cao phóng từ lỗ đen trung tâm hình ảnh góc rộng vùng hoạt động bên lỗ đen chụp kính thiên văn khơng gian chandra - Xray nguồn: nasa/cXc/Villanova university/J neilsen nhà thiên văn ước tính khối lượng lỗ đen trung tâm thiên hà M87 dao động khoảng 3,5-7,22 tỷ lần khối lượng Mặt trời Nhưng phép đo EHT cho thấy, khối lượng lỗ đen gấp khoảng 6,5 tỷ lần khối lượng Mặt trời Vùng sáng không đối xứng bao quanh bóng chân trời kiện kéo dài 38-44 μas, với phần phía nam xuất sáng phần lại Điều cho thấy M87* lỗ đen hoạt động mạnh, bao quanh đĩa khí, bụi bồi tụ (nóng, sáng) vật chất dạng plasma, chịu ảnh hưởng từ lực hấp dẫn vô lớn lỗ đen Nguồn vật chất không ngừng bồi tụ thêm khối lượng siêu lỗ đen trung tâm thiên hà Các nhà khoa học sử dụng mơ hình mơ để phân tích tính chất bất đối xứng từ vùng sáng Vùng sáng hướng vật chất plasma chuyển động phía chúng ta, vùng mờ vật chất chuyển động xa nên xạ đến Những quan sát phù KH&CN nước hợp với quan sát độ sáng Doppler plasma chuyển động tương đối tính xung quanh lỗ đen Do hiệu ứng tương đối tính nên vật chất chuyển động với vận tốc lớn, gần vận tốc ánh sáng, phát xạ mạnh Vùng sáng khẳng định mạnh mẽ tính đắn thuyết tương đối rộng hấp dẫn Albert Einstein [2] Hình ảnh bất Đi khí phóng từ trung tâm thiên hà M87 nguồn: nasa, Esa and the hubble heritage team (stsci/aura) đối xứng vùng sáng không hiệu ứng Doppler quan sát thực bước sóng 1,3 mm mà cịn chuyển động tương đối tính luồng vật chất lại gần xa khỏi hướng quan sát từ Trái đất Hình ảnh thu từ EHT phù hợp với mơ hình bóng lỗ đen kích thước vòng sáng bất đối xứng vòng phụ thuộc vào khối lượng tốc độ quay lỗ đen Những hình ảnh liệu quan sát cho thấy, M87* quay nhanh theo chiều kim đồng hồ phát xạ mạnh mẽ Nó giúp nhà khoa học giải mã bí ẩn M87*, luồng hạt mang điện phóng thích từ trung tâm thiên hà M87 trải dài 1.000 năm ánh sáng Điều dễ dàng thấy hình ảnh chụp dải sóng phổ điện từ khí phóng từ trung tâm thiên hà elip M87, đặc biệt hình ảnh chụp góc rộng thực Kính thiên văn Chandra - Xray NASA Kính thiên văn quan sát luồng hạt lượng cao phóng từ trung tâm thiên hà từ trường lực hấp dẫn cực mạnh xung quanh lỗ đen, kéo dài 1.000 năm ánh sáng Viết tiếp trang sử… Những thành đột phá bước đệm quan trọng để nhà khoa học tiếp tục phát triển hoàn thiện kỹ thuật quan sát để tạo hình ảnh rõ nét chi tiết lỗ đen trung tâm thiên hà M87 Các quan sát tương lai kiểm tra độ ổn định, hình dạng độ sâu bóng lỗ đen với độ xác cao Đó tảng mở tương lai việc nghiên cứu lỗ đen nơi khác vũ trụ hầu hết thiên hà hoạt động ẩn chứa siêu lỗ đen trung tâm Theo kế hoạch, nhà khoa học bổ sung thêm kính thiên văn vào hệ thống EHT để phục vụ nghiên cứu Năm 2018 với tham gia Đài thiên văn Greenland đến năm 2020 kính thiên văn khác như: Đài thiên văn quốc gia Kitt Peak, Đài thiên văn IRAM NOEMA dãy Alps (Pháp) tham gia EHT Bên cạnh đó, nhà khoa học có kế hoạch quan sát bước sóng tần số cao để tạo hình ảnh rõ nét ? TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Daniel Clery (2019), For the first time, you can see what a black hole looks like, https://www.sciencemag.org/ news/2019/04/black-hole [2] Antxon Alberdi, et al (2019), “First M87 Event Horizon Telescope Results V Physical Origin of the Asymmetric Ring”, The Astrophysical Journal Letters, (17pp), 2019 April 10 mơ hình mơ quay lỗ đen tương thích với hình ảnh chụp EHT nguồn: Eht collaboration, et al (2019) Số năm 2019 69 ... nhà khoa học thu thập liệu phân tích để nhận diện Như vậy, dường Sgr A* mục tiêu ưu tiên mà nhà khoa học hướng đến Thế lỗ đen M87* sao? Kích thước lỗ đen tỷ lệ thuận với khối lượng nó, tức lỗ đen. .. chất quan sát Hình ảnh cho thấy, vùng tối đen phía bóng chân trời kiện lỗ đen vùng bên ngồi vịng trịn sáng Đây vùng bóng chân trời kiện lỗ đen trung tâm thiên hà M87 Theo đó, nhà khoa học ước tính... Trái đất Hình ảnh thu từ EHT phù hợp với mơ hình bóng lỗ đen kích thước vịng sáng bất đối xứng vòng phụ thuộc vào khối lượng tốc độ quay lỗ đen Những hình ảnh liệu quan sát cho thấy, M87* quay