Lần đầu tiên chụp ảnh lỗ đen tại trung tâm Ngân hà

Các nhà thiên văn học sóng radio đã chụp ảnh lỗ đen siêu nặng tại trung tâm của Ngân hà. Nó cũng là bức ảnh thứ hai của một lỗ đen, sau khi một bức ảnh lịch sử về lỗ đen ở một khoảng cách xa hơn đã được công bố vào năm 2019.

Các kết quả được chờ đợi từ lâu này, được nhóm hợp tác kính thiên văn chân trời sự kiện (EHT) thực hiện, đã gợi nhớ lại hình ảnh từng công bố trước đây, với một vòng sáng phát xạ xung quanh một cái đĩa tối hơn với kích thước chính xác như những quan sát gián tiếp và với thuyết tương đối của Albert Einstein.

“Hôm nay, ở khoảnh khắc này, chúng tôi có bằng chứng trực tiếp chứng tỏ vật thể này là một lỗ đen, nhà vật lý thiên văn Sara Issaoun của Trung tâm Vật lý thiên văn Smithsonian Harvard cho biết trong một buổi họp báo ở Garching, Đức. “Chúng tôi đã tập trung nghiên cứu về nó quá lâu, đến mức thi thoảng phải tự nhắc nhở mình rằng đây là lỗ đen nằm ở trung tâm của vũ trụ chúng ta”, nhà khoa học hình ảnh máy tính và cựu thành viên nhóm EHT Katie Bouman nói tại buổi họp báo ở Washington, DC. “Ý tôi muốn nói là còn gì thú vị hơn khi được ngắm nghía lỗ đen ở trung tâm của Ngân hà?”

Trong suốt năm đêm của tháng 4/2017, nhóm hợp tác EHT đã sử dụng tám đài quan sát khác nhau trên khắp thế giới để thu thập dữ liệu từ cả lỗ đen của Ngân hà – Sagittarius A* – cũng như một lỗ đen khác ở trung tâm của thiên hà M87 mang tên M87*.

Các địa điểm quan sát trải rộng từ Tây Ban Nha đến Nam Cực và từ Chile đến Hawaii, và thu thập bốn petabyte dữ liệu (4.000 terabyte), quá lớn để gửi được qua Internet và phải lưu lại trên đĩa cứng để chuyển bằng máy bay.

Các nhà nghiên cứu EHT công bố bức ảnh M87* vào năm 2019, cho thấy bằng chứng trực tiếp đầu tiên về một chân trời sự kiện, bề mặt hình cầu bao quanh một lỗ đen.

Nhưng việc phân tích dữ liệu Sagittarius A* lại quá nhiều thách thức. Hai lỗ đen dều có kích thước biểu kiến tương tự nhau trên bầu trời, bởi khoảng cách đến M87* xa gấp gần 2.000 lần nhưng lại lớn hơn 1.600 lần. Điều đó có nghĩa là bất cứ vật chất nào xoắn quanh M87* đều bao phủ khoảng cách không gian rộng hơn – rộng hơn cả quỹ đại của Pluto quanh mặt trời – và bức xạ chúng tỏa ra về cơ bản không đổi trong những khung thời gian ngắn. Nhưng Sagittarius A* lại có thể thay đổi một cách nhanh chóng sau vài giờ, điều nhóm EHT quan sát thấy hằng ngày. “Với M87*, chúng tôi thấy rất ít biển đổi trong vòng một tuần”, Heino Falcke, một nhà vật lý thiên văn tại trường đại học Radboud ở Nijmegen, Hà Lan và đồng sáng lập nhóm hợp tác EHT.  “Còn Sagittarius A* thay đổi theo các khung thời gian từ 5 đến 15 phút.”

Do chính sự biến thiên này, nhóm the EHT đã tạo ra không chỉ một mà hàng ngàn hình ảnh Sagittarius A*, và bức ảnh mà họ tiết lộ với mọi người là kết quả của cả một quá trình xử lý. “Bằng việc lấy trung bình những kết quả đó, chúng tôi có thể tập trug vào những đặc điểm chung”, thành viên nhóm EHT José Gómez của Viện nghiên cứu vật lý thiên văn Andalusia ở Granada, Tây Ban Nha. Mục tiêu tiếp theo của dự án này là tạo ra một bộ phim về lỗ đen để tìm hiểu nhiều hơn về các đặc tính vật lý của nó, Feryal Özel, một nhà vật lý thiên văn tại trường đại học Arizona ở Tucson, cho biết.

Nhóm EHT đã thực hiện các mô phỏng trên siêu máy tính để so sánh với dữ liệu của mình và rút ra kết luận là Sagittarius A* có lẽ đang quay dọc theo một trục gần như là hướng theo đường ngắm đến trái đất. Chiều hướng quay này ngược chiều kim đồng hồ, Gómez nói. “Điều đánh thức trí não tôi là chúng tôi đang nhìn thấy trực diện cái gì đây”, Regina Caputo, một nhà thiên văn tại Trung tâm Bay không gian NASA–Goddard ở Greenbelt, Maryland, nói. Kính viễn vọng không gian tia Gamma Fermi NASA, nơi Caputo cũng đang làm việc, từng dò được những đường bao sáng khổng lồ ở trên và dưới trung tâm của Ngân hà, có thể do Sagittarius A* tạo ra trong suốt các thời kỳ hoạt động với cường độ cao trong quá khứ. Nhưng có vẻ như nếu nhìn từ trái đất thì những đường viền đó, hay còn gọi là các bong bóng Fermi, là vật chất xoáy bên rìa lỗ đen chứ không phải là nhìn trực diện.

Bức ảnh đầu tiên gợi ý sự tồn tại của Sagittarius A* có thể là được thấy vào những năm 1970, khi các nhà thiên văn học sóng radio khám phá ra một nguồn radio ở vùng trung tâm của Ngân hà.

Nguồn này dường như mờ hơn cả một ngôi sao trung bình. Tuy nhiên những quan sát trong hàng thập kỷ chuyển động của các ngôi sao gần đó cho thấy vật thể này có khối lượng cực lớn. Một trong những đo đạc gần nhất là nó lớn gấp 4,15 triệu lần khối lượng mặt trời. Các tính toán đó, được thực hiện bằng cách dò theo các ngôi sao quay quanh Sagittarius A*, đem lại bằng chứng thuyết phục là nguồn radio này quá lớn và đậm đặc đến mức không phải cái gì khác ngoài một lỗ đen, góp phần đem lại cho Andrea Ghez và Reinhard Genzel giải Nobel vật lý năm 2020. (Bức ảnh của nhóm EHT cho thấy lỗ đen nặng gấp 4 triệu lần mặt trời, phù hợp với những ước tính trước đây, dẫu không chính xác đến như vậy).

Các kính viễn vọng quang học không thể quan sát được Sagittarius A* bởi bụi và khí trên đĩa thiên hà. Nhưng vào những năm 1990, Falcke và những người khác đã nhân thấy bóng của lỗ đen có thể đủ lớn để chụp ảnh với các sóng radio ngắn để có thể xuyên qua chúng. Nhưng để làm được điều này, các nhà khoa học đã tính toán, phải đòi hỏi một kính viễn vọng có kích thước tương đương trái đất. May mắn là kỹ thuật giao thoa có thể giúp họ. Nó có thể quy tụ các kính thiên văn ở khoảng cách xa đồng loạt hướng vào cùng một vật thể. Các kính thiên văn này có thể hoạt động một cách hiệu quả nếu chúng được kết nối lại với nhau bằng kỹ thuật này.

Các nỗ lực đầu tiên để quan sát Sagittarius A* với sự trợ giúp của kỹ thuật giao thoa đã sử dụng các sóng 7 millimetre và các đài quan sát cách nhau vài nghìn km.

Các nhóm nghiên cứu trên thế giới có thể tinh chỉnh kỹ thuật của mình và nâng cấp cho một số đài quan sát để có thể kết nối chúng vào mạng lưới này. Cụ thể, nhóm nghiên cứu do Shep Doeleman của trường đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts, đã làm như thế với Kính thiên văn Nam Cực và Kính thiên văn Atacama (ALMA) 1,4 tỉ USD ở Chile cũng vậy. Vào năm 2008, nhóm nghiên cứu của Doeleman đã có được những quan sát đầu tiên ở bước sóng 1,3 milimet đầy thách thức về mặt kỹ thuật.

Sau đó vào năm 2015, các nhóm nghiên cứu cùng hợp lực để lập ra nhóm hợp tác EHT. Chiến dịch quan sát đầu tiên của họ vào năm 2017 là quan sát đầu tiên được thực hiện ở khoảng cách đủ dài để có được những chi tiết về kích thước của Sagittarius A*.

EHT đã thu thập thêm nhiều dữ liệu vào năm 2018 nhưng sau đó đã dừng các chiến dịch quan sát của mình vào năm 2019 và 2020. Vào năm 2021 và 2022, họ đã khôi phục lại các quan sát với mạng lưới được nâng cấp và trang bị nhiều thiết bị phức tạp hơn.

Remo Tilanus, một thành viên nhóm EHT tại trường đại học Arizona ở Tucson, cho biết những quan sát mới nhất của nhóm nghiên cứu, vào tháng 3, ghi được các tín hiệu với tỉ lệ cao gấp đôi năm 2017 – có thể giúp tăng cường độ phân giải của các hình ảnh thu được.

Các nhà nghiên cứu hi vọng tìm ra là liệu Sagittarius A* có phóng chùm tia lỗ đen không. Nhiều lỗ đen, bao gồm cả M87*, đều bắn ra hai chùm tia vật chất với tốc độ cao theo hai hướng ngược nhau, có lẽ là kết quả của một sự gia nhiệt ở cường độ cao của khí bị từ trường đẩy ngược trở lại. Sagittarius A* có thể có những chùm tia lớn trong quá khứ – khi được các đám mây vật chất gia nhiệt trên và dưới trung tâm thiên hà. Những chùm tia của nó hiện tại có thể yếu hơn nhưng sự hiện diện của chúng có thể vẫn tiết lộ những chi tiết quan trọng về lịch sử Ngân hà của chúng ta.

“Những chùm tia đó có thể kiềm chế hoặc tạo ra sự hình thành sao, chúng có thể vận chuyển các nguyên tố hóa học đi xung quanh,” và ảnh hưởng đến sự tiến hóa của một thiên hà trọn vẹn”, Falcke nói. “Và giờ chúng ta đang tìm kiếm nơi diễn ra hiện tượng đó”.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-022-01320-y

https://www.theguardian.com/science/2022/may/12/supermassive-black-hole-centre-milky-way-first-time-sagittarius-a-