Lỗ đen ở dải ngân hà cung cấp thí nghiệm về Thuyết tương đối rộng của Einstein
Các nhà thiên văn đã bắt được lỗ đen khổng lồ tại tâm thiên hà của chúng ta, đang kéo dài (bước) sóng ánh sáng do một ngôi sao chuyển động theo quỹ đạo tạo ra – gần ba thập kỷ sau lần đầu tiên họ dò thấy ngôi sao này. Sau khi Thuyết tương đối tống quát của Einstein dự đoán về hiện tượng dịch chuyển đỏ sóng hấp dẫn, các nhà vật lý thiên văn đã tìm hiểu về chúng nhưng đến tận bây giờ vẫn chưa dò được chúng trong các môi trường của một lỗ đen.
Khi ngôi sao S2 băng qua lỗ đen ở trung tâm Thiên hà, trường sóng hấp dẫn mạnh là nguyên nhân gây ra việc kéo dài bước sóng ánh sáng để chuyển thành dịch chuyển đỏ. Nguồn: Nature
Đây là một bước tiến lớn trong việc đưa chúng ta tới gần hơn hiểu biết về lỗ đen khổng lồ này”, Heino Falcke, nhà vật lý thiên văn tại trường đại học Radboud tại Nijmegen, Hà Lan, nhận xét. “Thật tuyệt vời là chúng ta có đủ khả năng để quan sát các ảnh hưởng sóng hấp dẫn này”.
Một nhóm nghiên cứu với nhiều thành viên thuộc các trường đại học và viện nghiên cứu tại Đức, Pháp, Bồ Đào Nha, Thụy Sỹ, Hà Lna, Mỹ và Ireland do Reinhard Genzel ở Viện Vật lý ngoài trái đất Max Planck ở Garching (Đức) đã thông báo khám phá này tại một cuộc họp báo và công bố kết quat trên tạp chí Astronomy & Astrophysics.
Genzel và đồng nghiệp đã dõi theo hành trình di chuyển của ngôi sao mang tên S2 này kể từ đầu những năm 1990. Sử dụng kính viễn vọng tại Đài quan sát Nam Âu tại Chile, họ đã thấy nó di chuyển theo một quỹ đạo hình elip quanh hố đen khổng lồ nằm trong chòm sao Nhân mã và cách trái đất 26.000 năm ánh sáng. Với khối lượng gấp 4 triệu lần mặt trời, lỗ đen này sinh ra một trường hấp dẫn mạnh nhất trong dải Ngân hà. Do đó đây là nơi lý tưởng để săn tìm các hiệu ứng liên quan đến thuyết tương đối.
Vào ngày 19/5/2018 vừa qua, ngôi sao S 2 đã tiến gần hơn về lỗ đen này. Các nhà nghiên cứu đã dò được đường đi của nó bằng việc sử dụng nhiều thiết bị, trong đó có GRAVITY, một giao thoa kế kết hợp ánh sáng từ 4 kính viễn vọng có đường kính dài 8 m và bắt đầu được vận hành vào năm 2016. “Với các đo đạc của chúng tôi, cánh cửa đã rộng mở với các nhà vật lý nghiên cứu về lỗ đen”, Frank Eisenhauer – một thành viên của nhóm nghiên cứu tại Viện Max Planck – cho biết.
GRAVITY đã đo được chuyển động băng qua bầu trời của S2; tại thời điểm chuyển động nhanh nhất, nó vèo qua với vận tốc hơn 7.600 km/s hoặc gần 3% tốc độ ánh sáng. Trong khi đó, một thiết bị khác đã nghiên cứu S2 chuyển động nhanh như thế nào khi hướng đến và ra xa trái đất, khi nó dao động qua lỗ đen. Kết hợp các quan sát cho phép nhóm của Genzel có thể dò tìm được dịch chuyển đỏ của ngôi sao S2 – trong đó miêu tả ánh sáng của sao bị kéo căng với các bước sóng dài hơn do lực hút hấp dẫn vô cùng lớn của lỗ đen khổng lồ. Hiện tượng này phù hợp với dự đoán của thuyết tương đối rộng.
“Những gì chúng tôi đo đạc được không thể miêu tả bằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton”, Odele Straub, nhà vật lý thiên văn tại đài quan sát Paris nói. Những quan sát trong tương lai về S2 có thể sẽ xác nhận những dự đoán khác của Einstein, như một lỗ đen tự quay kéo không thời gian theo quanh nó như thế nào.
“Các dữ liệu của họ thật đẹp”, Andrea Ghez, nhà thiên văn tại trường đại học California, Los Angeles, nhận xét. Chị hiện đang dẫn dắt một nhóm nghiên cứu cạnh tranh với nhóm của Genzel, và sử dụng kĩnh viễn vọng ở Hawaii để đo đạc đường đi quanh trung tâm Ngân hà của ngôi sao này.
Phái mất 16 năm để S2 hoàn thành một quỹ đạo quay quanh lỗ đen, vì thế cả hai nhóm nghiên cứu sớm chờ đợi hành trình gần nhất năm nay của nó. Nhưng Ghez cho rằng nhóm nghiên cứu của cô đang lập kế hoạch chờ đến cuối năm mới công bố kết quả nghiên cứu bởi trong ba sự kiện quan trọng trên chặng đường sẽ diễn ra vào năm 2018 này, mới chỉ có hai là đã diễn ra.
Vào tháng 4/2018, S2 đã đạt đến vận tốc tối đa trên tầm nhìn từ trái đất. Và tháng 5/2018, nó tiến gần hơn đến trung tâm dải Ngân hà. Và cuối tháng 8, đầu tháng 9, vận tốc ở mức thấp nhất trên tầm nhìn từ trái đất. “Phải mất 20 năm để đón nhận khoảnh khắc này. Chúng tôi sẽ đợi cho đến tận cuối của chặng đường, cho đến khi ngôi sao có thể hoàn tất bất kỳ hành động gì”, Ghez nói.
S2 đã sẵn sàng để bắt đầu chuyển động chậm hơn, theo hướng đi có thể quan sát được từ trái đất – cách tiếp cận sự kiện thứ ba trong năm. Và các nhóm nghiên cứu ở Mỹ và châu Âu đang chờ nó đến gần nhất. “Chúng tôi đang trong tình huống hấp dẫn nhất. Thật đáng thú vị”, Ghez nói.
Anh Vũ dịch
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-018-05825-3
