4 câu hỏi lớn được giải đáp sau bức ảnh đầu tiên về hố đen vũ trụ

Hình ảnh thực tế hố đen được công bố cũng là lúc người ta hy vọng những khúc mắc lớn trong khoa học thiên văn sẽ được các chuyên gia nhanh chóng giải quyết.

Tối 10/4, lần đầu tiên trong lịch sử, loài người đã được nhìn thấy hình ảnh thực tế một hố đen. Kết quả này có được nhờ Kính thiên văn Event Horizon, mạng lưới gồm tám đài quan sát vô tuyến trên toàn cầu, chuyên nhiệm vụ quan sát các hố đen suốt từ 2012 đến nay.

Hình ảnh mang tính lịch sử này sẽ cung cấp những đầu mối để trả lời 4 câu hỏi đã giới thiên văn, vật lý đau đầu suốt bao năm qua.

Hình dáng thực sự một hố đen

Các hố đen đúng với tên gọi của chúng. Những vật thể bí ẩn này không phát ra bất kì ánh sáng nào thuộc phổ điện từ, vì vậy bản thân chúng gần như vô hình.

Nhưng các nhà thiên văn biết hố đen tồn tại nhờ nghiên cứu lực hấp dẫn của chúng tác động lên tất cả các vật chất gần chúng. Khi một hố đen hút khí, bụi, các vật chất này lắng xuống tạo thành một đĩa bồi tụ quay quanh, với những nguyên tử chen lấn nhau bằng tốc độ cực cao.

Tốc độ cao gây ra va chạm và làm nóng vật chất, vì vậy chúng phát ra tia X và các bức xạ năng lượng cao khác. Những lỗ đen "phàm ăn" nhất trong vũ trụ có các đĩa sáng hơn tất cả các ngôi sao cộng lại trong thiên hà của chúng.

Bức ảnh đầu tiên về hố đen vũ trụ con người chụp được. (Ảnh: EHT).

Trước đó, mô phỏng máy tính và các định luật vật lý hấp dẫn đã cho phép giới thiên văn hình dung những gì họ mong đợi nhận được từ ảnh thực. Do lực hấp dẫn cực mạnh gần một lỗ đen, ánh sáng từ đĩa sẽ bị bẻ cong xung quanh chân trời sự kiện (event horizon), nên chúng ta có thể thấy được hình ảnh của đĩa sáng đằng sau lỗ đen.

Đến khi hình ảnh thực xuất hiện, nó không đối xứng như những gì người ta thường thấy trong phim. Lực hấp dẫn bẻ cong ánh sáng từ phần bên trong của đĩa về phía Trái đất mạnh hơn phần bên ngoài, làm cho một phần vòng tròn sẽ sáng hơn.

Độ chính xác của thuyết tương đối rộng khi áp dụng cho hố đen

Hình dạng chính xác của vòng sáng thu được có thể giúp phá vỡ một trong những bế tắc khó chịu nhất của vật lý lý thuyết.

Hai trụ cột của vật lý là thuyết tương đối rộng của Einstein, chi phối những thứ khổng lồ, có lực hấp dẫn lớn như lỗ đen và cơ học lượng tử, chi phối thế giới kỳ lạ của các hạt hạ nguyên tử.

Song 2 học thuyết này lại ‘'không chơi với nhau”, mỗi lý thuyết chỉ chính xác cho kích cỡ nhất định của vật chất (không đưa lý thuyết của Einstein vào cơ học lượng tử được và ngược lại).

Thuyết tương đối rộng đang bị mắc kẹt ở hố đen (điểm kỳ dị), nên các hình ảnh từ hố đen có thể chỉ ra chỗ cần bổ khuyết để hoàn thiện học thuyết, từ đó có thể kết hợp 2 học thuyết lớn lại với nhau.

Vì các hố đen là môi trường có lực hấp dẫn cực đoan nhất trong vũ trụ, chúng rất lý tưởng để kiểm tra các lý thuyết về lực hấp dẫn. Nếu thuyết tương đối rộng đứng vững, hố đen sẽ có hình dạng này, nếu nó không đứng vững, hố đen sẽ có hình dạng khác. Các nhà khoa học đều học hỏi được theo mọi cách.

Nhà nghiên cứu vật lý Lia Medeiros thuộc Đại học Arizona (Mỹ) và đồng nghiệp chạy mô phỏng hơn 12.000 hình dạng hố đen khác nhau, khác với cả với tiên đoán của Einstein.

“Nếu hình ảnh thực có gì đó sai khác với mô phỏng (tức là có một giả thuyết khác về nguồn gốc của lực hấp dẫn), xem như giới khoa học được nhận quà Giáng sinh sớm”, cô nói.

Các sao pulsar có bao quanh hố đen của Thiên hà?

Một cách khác để kiểm tra thuyết tương đối tổng quát xung quanh các lỗ đen là quan sát các ngôi sao xung quanh chúng. Khi ánh sáng thoát khỏi lực hấp dẫn cực hạn trong vùng lân cận lỗ đen, sóng của nó bị kéo dài ra, làm cho ánh sáng có vẻ đỏ hơn.

Quá trình này gọi là dịch chuyển đỏ hấp dẫn, dự đoán bởi thuyết tương đối rộng và được quan sát gần lỗ đen SgrA * hồi năm ngoái. Tính tới thời điểm này, Einstein vẫn đúng.

Đối tượng thực hiện thử nghiệm tốt nhất là với một pulsar - ngôi sao đã tắt quay cực nhanh và phát ra bức xạ theo nhịp đều đặn khiến nó được gọi là sao xung (pulse - xung). Dịch chuyển đỏ hấp dẫn sẽ làm xáo trộn nhịp độ của sao pulsar, từ đó người ta xem xét tiên đoán của thuyết tương đối về độ xáo trộn này.

"Nghiên cứu SgrA *, cũng đồng nghĩa việc cố gắng tìm ra một sao pulsar quay quanh hố đen này", nhà thiên văn học Scott Ransom thuộc Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia ở thành phố Charlottesville cho biết.

Sao Pulsar PSR J1745-2900 (bên trái) được phát hiện vào năm 2013 cách lỗ đen ở trung tâm thiên hà khoảng 150 năm ánh sáng. (Ảnh: MPIFR).

Dù đã tìm kiếm cẩn thận, không có sao pulsar nào được tìm thấy gần SgrA *, một phần vì khí và bụi trong trung tâm thiên hà làm tán xạ chùm tia của chúng, khiến chúng khó bị phát hiện.

Nhưng EHT đang có dữ liệu ảnh tốt nhất về trung tâm hố đen ở toàn phổ các bước sóng vô tuyến, vì vậy Ransom và các đồng nghiệp hy vọng có thể phát hiện ra một số sao pulsar chưa được tìm thấy.

"Đây như một cuộc câu cá thám hiểm, và cơ hội bắt được cá to là rất nhỏ", ông Ransom nói. “Tuy nhiên, nếu chúng ta dám làm, kết quả chắc chắn sẽ xứng đáng".

Các dòng khí siêu sáng của một số hố đen

Một số hố đen là những con quái vật háu ăn và rất hung hăng. Chúng hút một lượng lớn khí và bụi, trong khi những hố đen khác thì kén ăn. Không ai biết tại sao nhưng SgrA * dường như là một trong những hố đen kén chọn, với đĩa bồi tụ không sáng lắm dù có sức nặng gấp 4 triệu lần khối lượng Mặt trời.

Một mục tiêu khác của EHT là lỗ đen trong thiên hà M87. Đây là kẻ phàm ăn, có khối lượng lớn hơn 3,5 tỷ đến 7,22 tỷ lần Mặt trời. Nó không chỉ có một đĩa bồi tụ sáng xung quanh, mà còn phóng ra một luồng sáng, gồm các hạt hạ nguyên tử tích điện. Luồng sáng này dài tới 5.000 năm ánh sáng.

Chuyên gia vật lý thiên văn Thomas Krichbaum thuộc Viện thiên văn vô tuyến Max Planck ở Bonn, Đức cho biết điều này có vẻ hơi sai vì thông thường mọi người nghĩ rằng hố đen chỉ nuốt sạch vật chất chứ không hề phun ra cái gì cả.

Nhiều lỗ đen khác tạo ra các luồng sáng dài và rộng hơn cả thiên hà, chúng có thể trải dài hàng tỷ năm ánh sáng tính từ trung tâm. Câu hỏi được đặt ra: Năng lượng nào đủ mạnh để phóng những luồng sáng này xa đến như vậy?

Những mô phỏng trước đây được thực hiện bởi máy tính, thuật toán 3D chứ không phải hình thật. (Ảnh: Independent).

Các phép đo của EHT đối với lỗ đen M87 sẽ giúp ước tính cường độ từ trường của nó. Các nhà thiên văn học cho rằng điều này có liên quan đến cơ chế phóng luồng sáng và các phép đo thuộc tính của luồng sáng khi nó gần với lỗ đen sẽ giúp xác định nơi bắt nguồn của nó - ở phần trong cùng của đĩa bồi tụ, hay từ chính lỗ đen.

Những quan sát này cũng có thể tiết lộ liệu luồng sáng được phóng bởi một cái gì đó trong lỗ đen hay bởi vật liệu chuyển động cực nhanh trong đĩa bồi tụ.

Vì các luồng sáng có thể mang vật chất ra khỏi trung tâm thiên hà và đưa vào không gian liên thiên hà, chúng có thể ảnh hưởng đến cách các thiên hà phát triển, thậm chí đến cả vị trí các ngôi sao và hành tinh hình thành trong thiên hà.

Đây là mấu chốt quan trọng để hiểu được sự tiến hóa của các thiên hà, từ sự hình thành sớm của các lỗ đen đến hình thành các ngôi sao, sau đó là hình thành của sự sống, theo Krichbaum.

“Đây là một câu chuyện rất lớn, mà trong đó các nghiên cứu về luồng sáng từ lỗ đen chỉ là một mảnh ghép nhỏ mà thôi", ông nói.

• Lần đầu chụp được ảnh hố đen to hơn Trái đất ba triệu lần