Đột phá hình ảnh trực tiếp đầu tiên của hố đen

Tháng 4.2019, các nhà khoa học công bố hình ảnh đầu tiên về một hố đen trong thiên hà M87 bằng Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT). Tuy nhiên, thành tựu đáng chú ý đó mới chỉ là phần mở đầu của câu chuyện khoa học vũ trụ.

Dữ liệu từ 19 đài thiên văn đang được công bố hứa hẹn cung cấp cái nhìn chưa từng có về hố đen này và hệ thống mà hố đen cung cấp năng lượng, đồng thời cải thiện các bài kiểm tra về Thuyết tương đối rộng của Einstein.

“Chúng tôi biết rằng hình ảnh trực tiếp đầu tiên của một hố đen sẽ mang tính đột phá. Nhưng để tận dụng tối đa hình ảnh đáng chú ý này, chúng ta cần biết mọi thứ có thể về hành vi của hố đen tại thời điểm đó bằng cách quan sát trên toàn bộ quang phổ điện từ” - Kazuhiro Hada, Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản, đồng tác giả của nghiên cứu mới được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn Letters, cho biết.

Lực hấp dẫn cực lớn của một hố đen siêu lớn có thể cung cấp năng lượng cho các luồng hạt di chuyển với tốc độ gần như tốc độ ánh sáng khắp khoảng không rộng lớn. Luồng của M87 tạo ra ánh sáng bao trùm toàn bộ quang phổ điện từ, từ sóng vô tuyến đến ánh sáng nhìn thấy tới tia gamma.

Cường độ ánh sáng khắp quang phổ này tạo ra một dạng khác nhau cho mỗi hố đen. Việc xác định mô hình này cung cấp thông tin chi tiết quan trọng về các đặc tính của hố đen ví dụ như vòng quay và sản lượng năng lượng của hố đen. Tuy nhiên, đây là nhiệm vụ thách thức vì mô hình thay đổi theo thời gian.

Chiến dịch quan sát lớn nhất

Để xử lý vấn đề này, các nhà khoa học đã phối hợp quan sát bằng nhiều kính thiên văn mạnh nhất thế giới trên mặt đất và trong không gian, thu thập ánh sáng từ khắp các quang phổ. Đây là chiến dịch quan sát đồng thời lớn nhất từng được thực hiện với một hố đen siêu lớn có dòng tia.

Các kính thiên văn của NASA tham gia vào chiến dịch quan sát này bao gồm: Đài quan sát tia X Chandra, kính viễn vọng không gian Hubble, Đài quan sát Neil Gehrels Swift, kính viễn vọng quang phổ hạt nhân (NuSTAR) và kính viễn vọng không gian tia gamma Fermi.

Mỗi kính thiên văn cung cấp thông tin khác nhau về hành vi và tác động của hố đen có khối lượng lớn hơn 6,5 tỉ lần so với mặt trời ở trung tâm thiên hà M87, cách trái đất khoảng 55 triệu năm ánh sáng.

Dữ liệu được nhóm gồm 760 nhà khoa học và kỹ sư từ gần 200 tổ chức ở 32 quốc gia hoặc khu vực thu thập. Họ sử dụng các đài quan sát do các cơ quan và tổ chức trên toàn cầu tài trợ. Các quan sát tập trung từ cuối tháng 3 đến giữa tháng 4.2017.

Đồng tác giả Juan Carlos Algaba của Đại học Malaya ở Kuala Lumpur, Malaysia cho biết: “Tập hợp quan sát đáng kinh ngạc này bao gồm nhiều kính thiên văn tốt nhất thế giới. Đây là một ví dụ tuyệt vời về các nhà thiên văn học trên khắp thế giới đang cùng theo đuổi khoa học”.

Kết quả đầu tiên cho thấy, cường độ bức xạ điện từ do vật chất tạo ra xung quanh hố đen siêu lớn M87 ở mức thấp nhất từng được quan sát thấy. Điều này tạo ra điều kiện lý tưởng để nghiên cứu hố đen, từ các vùng gần chân trời sự kiện cho đến hàng chục nghìn năm ánh sáng.

Sự kết hợp giữa dữ liệu từ các kính thiên văn này và các quan sát EHT hiện tại (và trong tương lai) sẽ cho phép các nhà khoa học tiến hành các luồng điều tra quan trọng về một số lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn và thách thức nhất của vật lý thiên văn.

Ví dụ: Các nhà khoa học dự định sử dụng những dữ liệu này để cải thiện các bài kiểm tra Thuyết tương đối rộng của Einstein. Hiện tại, rào cản chính với những thử nghiệm này là sự không chắc chắn về việc vật chất quay xung quanh hố đen và bị thổi bay trong các dòng tia, đặc biệt là các đặc tính xác định ánh sáng phát ra.

Việc phát hành kho dữ liệu mới này trùng với đợt quan sát năm 2021 của EHT, là đòn bẩy cho một loạt các kính thiên văn vô tuyến trên toàn thế giới, lần đầu tiên kể từ năm 2018. Chiến dịch năm ngoái đã bị hủy vì đại dịch COVID-19 và năm trước đó bị tạm dừng vì sự cố kỹ thuật không lường trước được.

Ngay trong tuần này, các nhà thiên văn học EHT đang nhắm mục tiêu lại hố đen siêu lớn M87, hố đen trong dải ngân hà (được gọi là Sagittarius A* hay Nhân Mã A*), cùng với một số hố đen xa hơn trong sáu đêm. So với năm 2017, mảng này đã được cải tiến bằng cách bổ sung thêm 3 kính thiên văn vô tuyến: Kính thiên văn Greenland, kính thiên văn 12 mét Đỉnh Kitt ở Arizona, Mỹ và kính thiên văn mảng milimét mở rộng phía Bắc (NOEMA) ở Pháp.

“Với việc phát hành những dữ liệu này, kết hợp với việc tiếp tục quan sát và một EHT được cải thiện, chúng tôi biết rằng nhiều kết quả mới thú vị đang ở phía trước” - đồng tác giả Mislav Baloković của Đại học Yale, Mỹ, cho hay.