Đây có thể sẽ là thành tựu vang dội nhất của vật lí trong năm 2019

Giới vật lí thiên văn và vật lí lý thuyết đã đạt được hàng loạt những bước tiến khổng lồ trong khoảng ba thập niên trở lại đây. Đầu những năm 1990 chúng ta còn đang tự hỏi liệu có tồn tại những hành tinh ngoài Hệ Mặt trời? Giờ đây con số được xác định là hàng ngàn, trong đó không ít hành tinh được dự đoán có môi trường tương tự Trái đất. Đầu năm 2015 khoa học còn đang phỏng đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn (gravitational wave), thì đến nay đã phát hiện 11 sóng, với giải Nobel được trao năm 2017.

Nhưng năm 2019 sắp tới có lẽ sẽ là thời khắc trọng đại nhất cho một phát hiện chưa từng có tiền lệ: chúng ta sẽ lần đầu tiên trong lịch sử nhìn thấy lỗ đen! Công nghệ và dữ liệu đã sẵn sàng, vấn đề chỉ là thời gian mà thôi.

1. BÓNG MA ÁM ẢNH VẬT LÝ HIỆN ĐẠI

1. BÓNG MA ÁM ẢNH VẬT LÝ HIỆN ĐẠI, Ảnh minh họa lỗ đen đang "xé phay" một ngôi sao lại gần

Lỗ đen, như tên gọi của nó, không phát ra bất kì ánh sáng nào dù là nhỏ nhất, và mọi thứ kể cả ánh sáng nếu lang thang lại gần đều sẽ bị dát mỏng rồi nuốt chửng hoàn toàn vào bóng đêm sâu thẳm. Khái niệm “chân trời sự kiện” hay “biên giới không thể quay lui” dùng để gọi đường ranh giới mà vật chất không thể cưỡng lại được lực hấp dẫn kinh hoàng của những quái vật không gian này, hay nói cách khác, là đường viền xác định hình dạng và kích thước của lỗ đen. Và đó chính là cái mà giới khoa học đang hồi hộp mong chờ nhìn thấy lần đầu tiên. 

Einstein từng cực lực phủ nhận sự tồn tại của những thực thể mà ông cho là kì dị đến khó tin này, song các nhà khoa học ngày nay có ba phương pháp giúp khẳng định sự tồn tại của chúng: 

1.     Lực hấp dẫn của lỗ đen mạnh đến mức làm cong không-thời gian xung quanh, nên nếu phát hiện các hiệu ứng của sự cong này được gây ra bởi một khối lượng cực lớn và đậm đặc thì chúng ta có thể “khoanh vùng” đối tượng. 

2.     Vật chất tới gần lỗ đen sẽ được gia tốc và nóng lên, làm phát ra sóng vô tuyến từ bên ngoài chân trời sự kiện, và đó là thứ mà các kính thiên văn vô tuyến có thể dễ dàng bắt được.   

3.     Khi hai lỗ đen tiến lại gần nhau, chúng xẽ xoáy tròn và dung hợp. Với khối lượng cực lớn của mình, quá trình này sẽ tạo ra các sóng hấp dẫn mà tới tận gần đây con người mới có khả năng phát hiện.

Tuy nhiên cả ba cách trên đều chỉ mang tính gián tiếp, còn muốn “chụp ảnh” được lỗ đen, các nhà khoa học phải vượt qua hai trở ngại lớn về kĩ thuật và công nghệ: gom ánh sáng và độ phân giải.

, Ảnh gián tiếp của lỗ đen trung tâm thiên hà M87

Bởi lẽ lỗ đen có mật độ vật chất cực kì đậm đặc, chúng ta cần có độ phân giải mạnh không tưởng mới có thể nhìn được rõ nét. Và bởi lỗ đen cơ bản là "đen”, tức không phát ra ánh sáng, nên chúng ta cần thu nhận thật nhiều ánh sáng xung quanh và phân tích cẩn thận để xác định chính xác biên giới của nó nằm ở đâu. 

Thông thường để khắc phục hai vấn đề trên, các nhà khoa học sẽ xây dựng những kính thiên văn cực lớn, bởi lượng ánh sáng thu được tăng theo diện tích mặt kính, còn độ phân giải tăng theo số bước sóng ánh sáng khác nhau có thể xếp vừa vào thấu kính. Tuy nhiên kích cỡ bao nhiêu là đủ? Theo tính toán, để nhìn được lỗ đen lớn nhất từ Trái đất là Sagittarius A* - ngay tại tâm Ngân Hà – chúng ta cần một kính thiên văn đường kính xấp xỉ bằng chính Trái đất! 

Dĩ nhiên nhân loại hiện nay chưa đủ khả năng làm được điều đó. Nhưng chúng ta hoàn toàn có thể tiếp cận bằng giải pháp tốt thứ hai: xây dựng một mạng lưới kính thiên văn kết nối dữ liệu với nhau. Toán học đã chứng minh, lượng ánh sáng thu được khi đó sẽ bằng tổng lượng ánh sáng của các kính thành phần, còn độ phân giải sẽ tương đương một kính có đường kính bằng khoảng cách giữa hai chiếc xa nhất trong mạng lưới. 

Đó chính là cơ sở của dự án Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (Event  Horizon Telescope - EHT), nhằm đánh thẳng vào “trái tim” của lỗ đen và chụp ảnh trực tiếp biên giới không thể quay lui của chúng.

2. "ĐỒ CHƠI" TIỀN TỈ CỦA GIỚI KHOA HỌC

2. "ĐỒ CHƠI" TIỀN TỈ CỦA GIỚI KHOA HỌC, Các kính thiên văn thuộc Tây bán cầu tham gia vào dự án EHT

EHT là một mạng lưới gồm 15 đến 20 kính thiên văn đặt rải rác khắp hành tinh, trải dài mọi châu lục: từ Nam Cực tới châu Âu, Nam Mĩ, châu Phi, Bắc Mĩ, Australia, cùng một số đảo Thái Bình Dương. Trong đó khoảng cách giữa hai kính xa nhất lên đến 12.000km, giúp tăng độ phân giải lên 15 microarcseconds (μas). Con số này tương đương với việc từ Trái đất chúng ta có thể nhìn rõ một con ruồi đậu trên Mặt trăng cách 400.000km. 

Tất nhiên người ta không tiến hành một dự án quy mô như vậy chỉ để ngắm ruồi Mặt trăng (nếu chúng có tồn tại), mà hiện nay các nhà khoa học đã phát hiện hai lỗ đen có kích thước góc lớn hơn 15 μas, có thể quan sát được bằng EHT. Đó là Sagittarius A* ở tâm Ngân Hà và một lỗ đen khác ở tâm thiên hà M87, cách chúng ta 50-60 triệu năm ánh sáng và có khối lượng bằng 6 tỉ mặt trời, gấp 1.000 lần Sagittarius A*.

EHT vận hành bằng cách huy động toàn bộ mạng lưới kính thiên văn để quan sát các lỗ đen đồng thời, sau đó dữ liệu được tổng hợp và phân tích để tái dựng một bức ảnh độ phân giải cực cao. Phương pháp này đã từng được ứng dụng thành công nhiều lần, như với kính thiên văn Large Binocular đã chụp được các núi lửa đang phun trào trên mặt trăng Io của sao Mộc.   

Một công cụ kĩ thuật đi kèm giúp dựng lại hình ảnh là ALMA, viết tắt của Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array. Đó là một hệ thống 66 kính thiên văn vô tuyến khổng lồ, đã từng hỗ trợ tạo ra các bức ảnh của đám mây bụi xung quanh những ngôi sao đang hình thành, bên trong là dấu hiệu của các hành tinh “sơ sinh”. Những hình ảnh này có chất lượng vượt xa kính thiên văn Hubble danh tiếng, và nay chúng sẽ dược huy động vào dự án chụp hình lỗ đen đầy tham vọng.

3. MÓN QUÀ VÔ GIÁ CHO CỘNG ĐỒNG THIÊN VĂN - VẬT LÝ

3. MÓN QUÀ VÔ GIÁ CHO CỘNG ĐỒNG THIÊN VĂN - VẬT LÝ, Hệ thống Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array đặt tại sa mạc Atacama, Chile

Vậy rốt cuộc chúng ta sẽ thu được gì? Không chỉ để thỏa mãn trí tò mò của giới khoa học khi bắt “quái vật vũ trụ” phải hiện nguyên hình, những bức ảnh lỗ đen sẽ là bằng chứng thép góp phần khẳng định hoặc bác bỏ một trong những lý thuyết vĩ đại nhất của vật lí: Thuyết Tương đối rộng. Liệu chân trời sự kiện có giống như những gì Einstein đã dự đoán? Sau đây là những gì các nhà khoa học có thể kiểm chứng: 

·        Kích thước của lỗ đen có khớp với tính toán từ Thuyết Tương đối rộng? 

·        Chân trời sự kiện có dạng tròn như dự đoán, hay dạng dẹt, dạng dài? 

·        Sự bức xạ sóng vô tuyến có vượt quá tầm chúng ta đã tính? 

·        Và liệu có bất kì “hành vi” bất thường nào so với lí thuyết của Einstein? 

Các công việc cần thiết vẫn đang tiếp tục được triển khai, và theo dự kiến những bức ảnh đầu tiên sẽ “ra lò” ngay trong nửa đầu năm 2019. Thực tế các nhà khoa học đã kì vọng có được chúng trong năm ngoái hoặc năm nay, song có lẽ một sự kiện đặc biệt như thế này cũng cần thời gian để chín muồi. 

Những hình ảnh đó sẽ “cộp dấu” xác nhận sự tồn tại cũng như các đặc tính của lỗ đen có khớp với dự đoán từ Thuyết Tương đối rộng hay không. 2019 sẽ là năm của chân trời sự kiện, và lần đầu tiên trong lịch sử khoa học nhân loại, chúng ta rốt cuộc đã có thể biết lỗ đen trông như thế nào.