Hình ảnh đầu tiên của hố đen

Tuần vừa qua các tờ báo trên thế giới đăng tin là đã chụp hình được hố đen. Báo New York Times còn đưa ra ngay trang nhất một tấm hình hố đen.

Thế thì hố đen là gì và tại sao nhiều người chú ý đến sự kiện có được một hình ảnh của hố đen?

Hố đen là gì? 

Hố đen là vật thể trong vũ trụ có một khối lượng khổng lồ nhưng nén lại trong một vùng rất là nhỏ. Bạn thử tưởng tượng tất cả khối lượng gấp mười lần mặt trời được ép vào một vùng nhỏ như Sài Gòn. Vì quá dày đặc nên hố đen có một lực hấp dẫn rất là mạnh. Mạnh đến nỗi ánh sáng cũng bị hút vào và không thoát ra được.

Thuyết tương đối rộng (general theory of relativity) của nhà bác học Albert Einstein tiên đoán là có hố đen. Nhưng hố đen có những tính chất rất lạ nên ngay cả ông Einstein cũng nghi ngờ sự hiện hữu của hố đen. Theo tờ National Geographic thì hố đen được chia làm bốn loại: loại sao, trung cấp, siêu khối (supermassive), và tí hon (miniature).

Loại hố đen sao là loại thường thấy nhất. Sở dĩ được gọi là hố đen sao vì nó xuất thân từ một ngôi sao. Vào giai đoạn cuối đời thì ngôi sao bị bùng nổ và bắn ra vũ trụ phần ngoài chỉ còn lại phần lõi. Khi sao còn hoạt động thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion) tạo ra một sức đẩy ra ngoài làm cân bằng với lực hút của chính ngôi sao. Khi chỉ còn lại phần lõi thì không còn sự cân bằng nên phần lõi bị ép nhỏ lại dưới chính sức hút của nó. Nếu khối lượng của phần lõi lớn hơn ba lần khối lượng mặt trời thì sức hút rất mạnh không có gì thoát ra được. Phần lõi như vậy trở thành hố đen sao.

Khi sao sụp đổ một hiện tượng lạ lùng xảy ra. Có một bề mặt tưởng tượng gọi là chân trời sự kiện (event horizon). Khi mặt của sao gần tới chân trời sự kiện thì thời gian chậm lại so với một quan sát viên ở xa. Khi mặt của sao tới ngay chân trời sự kiện thì thời gian đứng yên và sao không thể sụp đổ thêm nữa. Một vật thể đi qua chân trời sự kiện có thể là sẽ không bao giờ xuất hiện lại. Một sự kiện xảy ra trong hố đen bạn sẽ không thấy tức là đã ra khỏi chân trời của bạn. Đó là lý do có từ “chân trời sự kiện.”

Khó có thể quan sát trực tiếp hố đen sao, nhưng dựa vào số sao có khối lượng lớn đủ để có thể trở thành hố đen thì có khoảng từ 10 triệu tới 1 tỷ hố đen sao trong dải Ngân Hà. Còn ngoài toàn thể vũ trụ thì không biết có bao nhiêu.

Các nhà thiên văn cho rằng trung tâm của các thiên hà đều có một hố đen siêu khối. Một hố đen siêu khối có khối lượng lớn gấp nhiều triệu khối lượng mặt trời. Dải Ngân Hà của chúng ta cũng có một hố đen siêu khối ở trung tâm gọi là Sagittarius A*. Hố đen này có khối lượng gấp 4 triệu lần khối lượng mặt trời. Các nhà thiên văn có thể khám phá ra những hố đen siêu khối đó bằng cách quan sát ảnh hưởng của nó đối với những sao và khí gần chung quanh.

Trước kia các nhà khoa học không nghĩ là có hố đen trung cấp. Nhưng mới đây có nhiều chứng cớ từ những thiên văn kính như là Hubble là có các hố đen trung cấp. Nhưng các nhà khoa họa vẫn chưa hiểu sự hình thành của hố đen trung cấp.

Theo lý thuyết thì có hố đen tí hon, nhưng chưa có chứng cớ thực tế. Người ta cho rằng có thể hố đen tí hon hình thành lúc mới khai thiên lập địa với thuyết nổ lớn (big bang theory) vào khoảng 13.7 tỷ năm về trước và đã nhanh chóng biến mất.

Làm sao có thể khám phá ra hố đen? 

Hố đen có lực hấp dẫn rất mạnh nên cả ánh sánh cũng không thoát ra được thì làm sao mà khám phá ra được? Tuy vậy hố đen cũng có những dấu hiệu để có thể nhận biết. Có hai phương pháp để khám phá ra hố đen. Phương pháp thứ nhất là quan sát ảnh hưởng của lực hút của nó. Thí dụ tại trung tâm của Ngân Hà có một khoảng trống mà mọi sao trong Ngân Hà đều quay chung quanh. Như vậy chắc là phải có một hố đen siêu khối ở chỗ đó.

Phương pháp thứ hai là quan sát những vật thể bị hút vào hố đen. Khi một sao thường tới quá gần hố đen thì bị hố đen hút vào. Lúc đó sao bị vỡ thành nhiều mảnh. Vì lực hấp dẫn và lực từ quá lớn nên làm những khí và bụi đang rơi vào trở nên rất nóng và phát tán tia X ra ngoài vũ trụ. Một phần những vật thể này quay quanh hố đen trong một vùng gọi là đĩa bồi tích (accretion disk).

Chụp hình hố đen 

Tuần vừa qua báo chí thế giới đều có đăng tin về việc các nhà khoa học đã lần đầu tiên có một hình ảnh của một hố đen ở trung tâm thiên hà Messier 87. Thiên hà Messier 87 là một thiên hà khổng lồ trong nhóm thiên hà Virgo. Hố đen ở trung tâm M87 ở cách trái đất 55 triệu năm ánh sáng và có khối lượng 6.5 tỷ lần khối lượng mặt trời.

Kính viễn vọng chân trời sự kiện 

Dụng cụ dùng để tạo ra hình ảnh hố đen được gọi là kính viễn vọng chân trời sự kiện (event horizon telescope, viết tắt là EHT). EHT là một hệ thống gồm tám kính viễn vọng radio trải khắp thế giới từ Nam Cực, Hawaii, Chile, Hoa Kỳ tới Tây Ban Nha.

Những kính viễn vọng radio này ở xa nhau nên cần được đồng bộ hóa các dữ liệu thu thập bằng cách dùng đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao, chỉ sai một phần ngàn tỷ của một giây. Bằng một kỹ thuật gọi là very long-baseline interferometry (giao thoa với đường cơ sở rất dài) các viễn vọng kính radio ở xa nhau ngàn dặm có thể kết hợp để trở thành một viễn vọng kính ảo có đường kính lớn như là trái đất. Kính viễn vọng ảo này có độ phân giải cực kỳ cao, có thể nhận ra một trái nho trên mặt trăng.

Trong 10 ngày vào Tháng Tư, 2017, các nhà thiên văn dùng những kính viễn vọng của EHT để quan sát các hố đen.

Mỗi kính viễn vọng trong hệ thống EHT thu thập được một số lượng dữ liệu rất lớn, phải tính bằng petabyte (một petabyte là 1 triệu gigabyte). Nhiều đến nỗi không thể gửi qua Internet được mà phải cho vào ổ cứng và gửi bằng máy bay đến trung tâm nghiên cứu để kết hợp với dữ liệu từ các kính viễn vọng khác gửi về. Có hai trung tâm xử lý dữ liệu: Max Planck Institute for Radio Astronomy ở thành phố Bonn bên Đức và Haystack Observatory tại Đại Học MIT. Tại hai nơi này số dữ liệu khổng lồ được cho vào những siêu máy tính và dùng những thuật toán tân kỳ để kết hợp lại thành một hình.

Đây là một thành quả đáng kể không những về khoa học mà còn về sự hợp tác của trên 200 khoa học gia ở nhiều quốc gia trên thế giới. Trong tương lai hệ thống EHT hy vọng có thể dùng sóng radio với độ dài sóng ngắn hơn vì ngắn hơn thì sẽ làm cho rõ thêm những chi tiết. Hơn nữa sẽ có thêm nhiều viễn vọng kính radio tham gia vào EHT, như vậy hình sẽ rõ hơn nữa. (Hà Dương Cự)

Nguồn tài liệu: www.nationalgeographic.com, https://science.nasa.gov, http://chandra.harvard.edu, https://eventhorizontelescope.org