Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một nhóm quốc tế gồm hơn 200 nhà thiên văn học đã chụp được những hình ảnh trực tiếp đầu tiên về một lỗ đen. Họ đã hoàn thành kỳ tích đáng chú ý này bằng cách phối hợp sức mạnh của tám đài quan sát vô tuyến lớn trên bốn lục địa, để cùng làm việc như một kính viễn vọng ảo cỡ Trái đất.
Một nhóm quốc tế gồm hơn 200 nhà thiên văn học, bao gồm các nhà khoa học từ Đài thiên văn Haystack của MIT, đã chụp được những hình ảnh trực tiếp đầu tiên về một lỗ đen. Họ đã hoàn thành kỳ tích đáng chú ý này bằng cách phối hợp sức mạnh của tám đài quan sát vô tuyến lớn trên bốn lục địa, để cùng làm việc như một kính viễn vọng ảo cỡ Trái đất.
Trong một loạt các bài báo được xuất bản ngày hôm nay trong một số đặc biệt của Astrophysical Journal Letters ( https://iopscience.iop.org/su/2041-8205/875/1 ), nhóm nghiên cứu đã tiết lộ bốn hình ảnh về lỗ đen siêu lớn tại trái tim của Messier 87, hay M87, một thiên hà trong cụm thiên hà Xử Nữ, cách Trái đất 55 triệu năm ánh sáng.
Tất cả bốn hình ảnh cho thấy một vùng tối trung tâm được bao quanh bởi một vòng ánh sáng xuất hiện lệch – sáng hơn ở một bên so với bên kia.
Albert Einstein, trong lý thuyết tương đối tổng quát của mình, đã tiên đoán sự tồn tại của các lỗ đen, dưới dạng các vùng cực kỳ dày đặc, nhỏ gọn trong không gian, nơi mà lực hấp dẫn cực đoan đến mức không gì, thậm chí không ánh sáng, có thể thoát ra từ bên trong. Theo định nghĩa, lỗ đen là vô hình. Nhưng nếu một lỗ đen được bao quanh bởi vật liệu phát sáng như plasma, các phương trình của Einstein dự đoán rằng một số vật liệu này sẽ tạo ra một “bóng”, hoặc một đường viền của lỗ đen và ranh giới của nó, còn được gọi là ‘chân trời sự kiện (event horizon)’.
Dựa trên những hình ảnh mới của M87, các nhà khoa học tin rằng lần đầu tiên họ nhìn thấy bóng của một lỗ đen, dưới dạng vùng tối ở trung tâm của mỗi hình ảnh.
Thuyết tương đối dự đoán rằng trường hấp dẫn to lớn sẽ khiến ánh sáng bị bẻ cong quanh lỗ đen, tạo thành một vòng sáng xung quanh hình bóng của nó và cũng sẽ khiến vật chất xung quanh quay quanh vật thể với tốc độ ánh sáng. Vòng sáng, bị lệch trong các hình ảnh mới cung cấp xác nhận trực quan về các hiệu ứng này: Vật liệu hướng về điểm thuận lợi của chúng ta khi nó quay xung quanh có vẻ sáng hơn so với phía bên kia.
Từ những hình ảnh này, các nhà lý thuyết và người tạo mô hình trong nhóm đã xác định rằng lỗ đen lớn gấp khoảng 6,5 tỷ lần so với mặt trời của chúng ta. Sự khác biệt nhỏ giữa mỗi trong số bốn hình ảnh cho thấy rằng vật liệu đang quay xung quanh lỗ đen với tốc độ cực nhanh.
“Lỗ đen này lớn hơn nhiều so với quỹ đạo của Sao Hải Vương và Sao Hải Vương phải mất 200 năm để đi vòng quanh mặt trời”, Geoffrey Crew, một nhà khoa học nghiên cứu tại Đài thiên văn Haystack nói. “Với lỗ đen M87 rất lớn, một hành tinh quay quanh nó sẽ quay xung quanh nó trong vòng một tuần và được di chuyển với tốc độ ánh sáng.”
“Mọi người có xu hướng xem bầu trời như một cái gì đó tĩnh, rằng mọi thứ không thay đổi trên thiên đàng, hoặc nếu có, đó là thời gian dài hơn cả cuộc đời con người”, Vincent Fish, nhà khoa học nghiên cứu tại Đài quan sát Haystack nói. “Nhưng những gì chúng tôi tìm thấy cho M87 là ở chi tiết rất tốt mà chúng tôi có, các vật thể thay đổi theo thời gian của ngày. Trong tương lai, có lẽ chúng tôi có thể sản xuất phim của các nguồn này. Hôm nay chúng tôi đang xem các khung hình bắt đầu.”
“Những hình ảnh mới đáng chú ý về lỗ đen M87 này chứng minh rằng Einstein đã đúng một lần nữa”, Maria Zuber, phó chủ tịch nghiên cứu của MIT và Giáo sư Địa vật lý EA Griswold thuộc Khoa Khoa học Trái đất, Khí quyển và Hành tinh nói. “Phát hiện này được kích hoạt bởi những tiến bộ trong các hệ thống kỹ thuật số mà các kỹ sư Haystack đã xuất sắc từ lâu.”
Các hình ảnh được chụp bởi Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện, hay EHT, một mảng quy mô hành tinh bao gồm tám kính viễn vọng vô tuyến, mỗi kính ở một môi trường xa xôi, cao độ, bao gồm các đỉnh núi Hawaii, Sierra Nevada, sa mạc Chile và Nam Cực dải băng.
Vào bất kỳ ngày nào, mỗi kính viễn vọng hoạt động độc lập, quan sát các vật thể thiên văn phát ra sóng vô tuyến mờ. Tuy nhiên, một lỗ đen nhỏ hơn và tối hơn vô số so với bất kỳ nguồn phát thanh nào khác trên bầu trời. Để thấy rõ điều đó, các nhà thiên văn học cần sử dụng các bước sóng rất ngắn – trong trường hợp này là 1,3 mm – có thể cắt xuyên qua các đám mây vật chất giữa một lỗ đen và Trái đất.
Tạo một hình ảnh về lỗ đen cũng đòi hỏi độ phóng đại hoặc “độ phân giải góc”, tương đương với việc đọc một văn bản trên điện thoại ở New York từ một quán cà phê vỉa hè ở Paris. Độ phân giải góc của kính viễn vọng tăng theo kích thước của đĩa nhận. Tuy nhiên, ngay cả các kính viễn vọng vô tuyến lớn nhất trên Trái đất cũng không đủ lớn để nhìn thấy một lỗ đen.
Nhưng khi nhiều kính viễn vọng vô tuyến, cách nhau khoảng cách rất lớn, được đồng bộ hóa và tập trung vào một nguồn duy nhất trên bầu trời, chúng có thể hoạt động như một đĩa vô tuyến rất lớn, thông qua một kỹ thuật gọi là giao thoa đường cơ sở rất dài, hoặc VLBI. Kết quả là độ phân giải góc kết hợp của chúng có thể được cải thiện rất nhiều.
Đối với EHT, tám kính viễn vọng tham gia đã tóm gọn thành một đĩa vô tuyến ảo lớn như Trái đất, với khả năng phân giải một vật thể xuống tới 20 micro-giây giây – sắc nét hơn khoảng 3 triệu lần so với tầm nhìn 20/20. Theo một sự trùng hợp vui vẻ, đó là về độ chính xác cần thiết để xem lỗ đen, theo phương trình của Einstein.
“Thiên nhiên rất tốt với chúng ta, và đã cho chúng ta một thứ đủ lớn để nhìn thấy bằng cách sử dụng các thiết bị và kỹ thuật tiên tiến”, phi hành đoàn, đồng lãnh đạo nhóm làm việc tương quan EHT và nhóm VLBI của Đài quan sát ALMA nói.
Vào ngày 5 tháng 4 năm 2017, EHT bắt đầu quan sát M87. Sau khi tham khảo nhiều dự báo thời tiết, các nhà thiên văn học đã xác định bốn đêm sẽ tạo ra điều kiện rõ ràng cho cả tám đài quan sát – một cơ hội hiếm có, trong đó họ có thể làm việc như một món ăn tập thể để quan sát lỗ đen.
Trong thiên văn vô tuyến, kính viễn vọng phát hiện sóng vô tuyến, ở tần số đăng ký các photon tới dưới dạng sóng, với biên độ và pha được đo bằng điện áp. Khi họ quan sát M87, mọi kính viễn vọng đều thu nhận các luồng dữ liệu dưới dạng điện áp, được biểu diễn dưới dạng số kỹ thuật số.
“Chúng tôi đang ghi lại những cơn gió dữ liệu – petabyte dữ liệu cho mỗi trạm”, phi hành đoàn nói.
Tổng cộng, mỗi kính viễn vọng đã lấy khoảng một petabyte dữ liệu, tương đương 1 triệu gigabyte. Mỗi trạm ghi lại dòng chảy khổng lồ này vào một số đơn vị Mark6 – máy ghi dữ liệu cực nhanh được phát triển ban đầu tại Đài thiên văn Haystack.
Sau khi quá trình quan sát kết thúc, các nhà nghiên cứu ở mỗi trạm đã thu dọn đống ổ cứng và đưa chúng qua Đài quan sát FedEx đến Haystack, ở Massachusetts và Viện thiên văn vô tuyến Max Planck ở Đức. (Vận chuyển hàng không nhanh hơn nhiều so với truyền dữ liệu điện tử.) Tại cả hai địa điểm, dữ liệu được phát lại thành một siêu máy tính chuyên dụng cao gọi là bộ tương quan, xử lý hai luồng dữ liệu cùng một lúc.
Vì mỗi kính viễn vọng chiếm một vị trí khác nhau trên đĩa radio ảo của EHT, nó có góc nhìn hơi khác về đối tượng quan tâm – trong trường hợp này là M87. Dữ liệu nhận được từ hai kính thiên văn riêng biệt có thể mã hóa tín hiệu tương tự của lỗ đen nhưng cũng chứa tiếng ồn đặc trưng cho các kính thiên văn tương ứng.
Bộ tương quan sắp xếp dữ liệu từ mọi cặp kính viễn vọng có thể có của EHT. Từ những so sánh này, nó toán học loại bỏ tiếng ồn và phát ra tín hiệu của lỗ đen. Đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao được cài đặt ở mọi dữ liệu đến của kính viễn vọng, cho phép các nhà phân tích đối chiếu các luồng dữ liệu sau thực tế.
Colin Lonsdale, giám đốc Haystack và phó chủ tịch của ban chỉ đạo EHT cho biết: “Việc sắp xếp chính xác các luồng dữ liệu và tính toán tất cả các loại nhiễu loạn tinh vi theo thời gian là một trong những điều mà Haystack chuyên về”.
Các nhóm tại cả Haystack và Max Planck sau đó đã bắt đầu quá trình “tương quan” dữ liệu, xác định một loạt các vấn đề ở các kính thiên văn khác nhau, khắc phục chúng và chạy lại mối tương quan, cho đến khi dữ liệu có thể được xác minh nghiêm ngặt. Chỉ sau đó, dữ liệu được phát hành cho bốn nhóm riêng biệt trên toàn thế giới, mỗi nhóm được giao nhiệm vụ tạo một hình ảnh từ dữ liệu bằng các kỹ thuật độc lập.
“Đó là tuần thứ hai của tháng 6 và tôi nhớ rằng tôi đã không ngủ đêm trước khi dữ liệu được công bố, để chắc chắn rằng tôi đã chuẩn bị”, Kazunori Akiyama, đồng trưởng nhóm hình ảnh EHT và một postdoc làm việc tại Haystack.
Tất cả bốn đội hình ảnh trước đây đã thử nghiệm thuật toán của họ trên các vật thể thiên văn khác, đảm bảo rằng các kỹ thuật của họ sẽ tạo ra một biểu diễn trực quan chính xác của dữ liệu radio. Khi các tập tin được phát hành, Akiyama và các đồng nghiệp của mình ngay lập tức chạy dữ liệu thông qua các thuật toán tương ứng của họ. Điều quan trọng, mỗi nhóm đã làm như vậy một cách độc lập với các nhóm khác, để tránh bất kỳ sự thiên vị nhóm nào trong kết quả.
“Hình ảnh đầu tiên mà nhóm chúng tôi tạo ra hơi lộn xộn, nhưng chúng tôi đã thấy sự phát xạ giống như chiếc nhẫn này và tôi đã rất phấn khích ngay lúc đó”, Akiyama nhớ lại. “Nhưng đồng thời tôi đã lo lắng rằng có lẽ tôi là người duy nhất có được hình ảnh lỗ đen đó.”
Mối quan tâm của anh là ngắn ngủi. Ngay sau đó, cả bốn đội đã gặp nhau ở Sáng kiến Hố đen tại Đại học Harvard để so sánh các hình ảnh, và thấy, với một chút nhẹ nhõm, và sau đó rất nhiều tiếng vỗ tay, rằng tất cả họ đều tạo ra cấu trúc giống như chiếc nhẫn, giống nhau của một lỗ đen.
“Đã có nhiều cách để tìm chữ ký của các lỗ đen trong thiên văn học, nhưng đây là lần đầu tiên bất cứ ai từng chụp ảnh của một người,” phi hành đoàn nói. “Đây là một khoảnh khắc đầu nguồn.”
Ý tưởng về EHT đã được hình thành vào đầu những năm 2000 bởi Sheperd Doeleman, người đang dẫn dắt một chương trình VLBI tiên phong tại Đài thiên văn Haystack và hiện chỉ đạo dự án EHT với tư cách là nhà thiên văn học tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian. Vào thời điểm đó, các kỹ sư của Haystack đang phát triển các thiết bị đầu cuối kỹ thuật số, máy ghi âm và bộ tương quan có thể xử lý các kho dữ liệu khổng lồ mà một loạt các kính viễn vọng khác nhau sẽ nhận được.
“Khái niệm chụp ảnh lỗ đen đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ,” Lonsdale nói. “Nhưng đó thực sự là sự phát triển của các hệ thống kỹ thuật số hiện đại khiến mọi người nghĩ về thiên văn vô tuyến như một cách thực hiện nó. Nhiều kính viễn vọng trên đỉnh núi đang được chế tạo, và nhận ra dần dần rằng, [hình ảnh một lỗ đen] không hoàn toàn điên rồ. “
Vào năm 2007, nhóm của Doeleman đã thử nghiệm khái niệm EHT, cài đặt các máy ghi âm của Haystack trên ba kính viễn vọng vô tuyến rải rác rộng rãi và nhắm chúng vào Sagittarius A *, lỗ đen ở trung tâm thiên hà của chúng ta.
“Chúng tôi không có đủ món ăn để tạo hình ảnh”, Fish, đồng lãnh đạo nhóm làm việc về khoa học EHT nhớ lại. “Nhưng chúng ta có thể thấy có một cái gì đó có kích thước phù hợp.”
Ngày nay, EHT đã phát triển thành một loạt gồm 11 đài quan sát: ALMA, APEX, Kính thiên văn Greenland, Kính viễn vọng 30 mét IRAM, Đài quan sát IRAM NOema, Kính viễn vọng Kitt, Kính viễn vọng James Clerk Maxwell, Kính thiên văn milimet lớn , Mảng Submillimet, Kính thiên văn Submillim và Kính thiên văn Nam Cực.
Phối hợp quan sát và phân tích có sự tham gia của hơn 200 nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới, những người tạo nên sự hợp tác EHT, với 13 tổ chức chính, bao gồm Đài thiên văn Haystack. Tài trợ chính được cung cấp bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu và các cơ quan tài trợ ở Đông Á, bao gồm Hiệp hội Xúc tiến Khoa học Nhật Bản. Các kính viễn vọng đóng góp vào kết quả này là ALMA, APEX, Kính viễn vọng 30 mét IRAM, Kính thiên văn James Clerk Maxwell, Kính thiên văn milimet lớn Alfonso Serrano, Mảng máy nghiền siêu âm, Kính thiên văn siêu nhỏ và Kính viễn vọng Nam Cực.
Nhiều đài quan sát được lên kế hoạch tham gia mảng EHT, để làm sắc nét hình ảnh của M87 cũng như cố gắng nhìn xuyên qua vật chất dày đặc nằm giữa Trái đất và trung tâm thiên hà của chúng ta, đến trung tâm của Nhân Mã A *.
“Chúng tôi đã chứng minh rằng EHT là đài quan sát để nhìn thấy một lỗ đen trên quy mô chân trời sự kiện”, Akiyama nói. “Đây là bình minh của một kỷ nguyên mới của vật lý thiên văn lỗ đen.”
Nhóm EHT Haystack bao gồm John Barrett, Roger Cappallo, Joseph Crowley, Mark Derome, Kevin Dudevoir, Michael Hecht, Lynn Matthews, Kotaro Moriyama, Michael Poirier, Alan Rogers, Chester Ruszc: 05, Jason SooHoo, Don Sousa, Michael Titus, . Những người đóng góp khác là cựu sinh viên MIT Daniel Palumbo, Katie Bouman, Lindy Blackburn và Bill Freeman, giáo sư Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính của MIT.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ Massachusetts . Bản gốc được viết bởi Jennifer Chu, MIT News Office. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.