Lỗ đen - một trong những bí ẩn bậc nhất của vũ trụ

Trung tâm thiên hà chúng ta là lỗ đen vũ trụ khổng lồ tên gọi Sagittarius A* (Sgr A*). Lỗ đen này giữ tất cả vật chất trong thiên hà chúng ta quay quanh quỹ đạo nhờ lực hấp dẫn khủng khiếp của nó.

Tuy chỉ cách Trái đất 25.640 năm ánh sáng, loài người chưa bao giờ tận mắt nhìn thấy “trái tim của dải ngân hà”, bởi lỗ đen hấp thụ mọi ánh sáng xung quanh nó. Chính vì vậy, cách duy nhất để khám phá lỗ đen chính là nghiên cứu vùng không gian xung quanh chúng.

Trong vài thập kỉ gần đây, các nhà vật lý thiên văn đã nghiên cứu vùng không gian quanh lỗ đen Sgr A* để tạo ra một mô phỏng thực tế ảo 3D về nó.

Sagittarius A* được quan sát dưới bước sóng tia X. Ảnh: NASA.

Khác biệt trong cách nhìn lỗ đen

Video ở đầu trang được xem như “một trong những cái nhìn chân thực nhất về vùng không gian xung quanh lỗ đen”, theo nhà vật lý thiên văn Jordy Davelaar của Đại học Radboud, Hà Lan cho biết.

“Nhờ các siêu máy tính và những thuật toán 3D mạnh mẽ, các nhà khoa học có thể tích hợp nhiều hiện tượng vật lý hơn vào bài toán mô phỏng” nhà vật lý thiên văn Jean-Pierre Luminet, Giám đốc dự án nghiên cứu từ Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, trả lời tạp chí Science Alert.

Cái mà chúng ta đang nhìn thấy trong video chính là lỗ đen, với vùng không gian đen đặc hình cầu bao quanh bởi lớp vật chất màu cam đang chuyển động tốc độ cao.

Có thể thấy, lỗ đen không giống “lỗ”, và thực sự cũng không "đen". Điều cần biết là mật độ vật chất ở đây cực kì đậm đặc, tới nỗi ngay cả các quang tử (photon) cũng không thể thoát ra được dù có tốc độ nhanh nhất vũ trụ.

Xung quanh lỗ đen là một trong những môi trường vật chất khắc nghiệt bậc nhất vũ trụ, với đa phần là các đám mây khí và vẫn thạch. Một số sẽ bị trường hấp dẫn của hố đen hút vào và vĩnh viễn biến mất. Một số khác, theo như giả thiết, sẽ trượt dọc theo các đường sức từ của hố đen và bị phun ra khỏi 2 cực của nó.

“Ánh sáng mà bạn thấy đến từ các vật chất bị hút vào lỗ đen như bị hút vào xoáy nước. Do tốc độ quá lớn và điều kiện khắc nghiệt, chúng chuyển thành trạng thái plasma và bức xạ ánh sáng khả kiến. Các ánh sáng đó sẽ bị trọng lực khủng khiếp của hố đen bẻ cong trước khi thoát ra ngoài”, Davelaar giải thích.

Nhiều năm qua đã có vài mô phỏng số về vùng không gian xung quanh lỗ đen. Mô phỏng nổi tiếng nhất có lẽ ở trong bộ phim Interstellar (tên tiếng việt: Hố đen tử thần), nhưng các mô phỏng này không chính xác vì người ta thiết kế chúng bắt mắt để thu hút người xem.

Mô phỏng tạo ra bởi Davelaar và nhóm của ông không giống với lỗ đen Gargantua trong phim. Nó giống với một lỗ đen mô phỏng bởi nhà vật lý thiên văn Jean Alain Marck ở CNRS và của Luminet, người công bố hình ảnh về đĩa đệm quanh hố đen vào năm 1979.

So sánh mô phỏng của Davelaar (trái) và mô phỏng của Jean-Alain Marck (phải) vào năm 1989. Ảnh: Jean-Pierre Luminet.

Tuy vậy giữa các mô phỏng này cũng còn một số khác biệt lớn.

Đầu tiên, mô phỏng của Davelaar cho thấy một lỗ đen không đứng yên mà chuyển động quay với động lượng góc rất lớn. Khác với mô phỏng trước đây sử dụng lý thuyết trường không thời gian Schwarzschild (hố đen đứng yên).

Thứ hai, đĩa đệm không hẳn là một “đĩa” mà là một vòng vật chất hình xuyến. Điều này do mô phỏng của Davelaar có tính đến từ trường của lỗ đen.

Hai sự khác biệt trên đã thay đổi cách nhìn nhận của con người về lỗ đen Sgr A* ở trung tâm ngân hà. Trường không-thời gian (mô hình toán học gộp ba chiều không gian với một chiều thời gian tạo thành một cấu trúc thống nhất) không còn là các “đĩa” phẳng với quỹ đạo elip (trường không thời gian Schwarzschild), mà chúng gần với trường không thời gian Kerr hơn (nơi vật chất chuyển động không trên các mặt phẳng).

Câu hỏi có được giải đáp?

Bí ẩn trên có được sáng tỏ hay không, hoàn toàn tùy thuộc vào kết quả dự án kính thiên văn Chân trời sự kiện (Event Horizon Telescope). Đây là một chương trình quan sát thiên văn tập trung vào các lỗ đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm các thiên hà.

Chương trình sử dụng kỹ thuật giao thoa với đường cơ sở rất dài (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) bằng cách kết hợp các kính viễn vọng vô tuyến trên toàn thế giới.

Trong đó nhiều ăng-ten độc lập cách xa hàng chục nghìn kilomet được điều phối, cùng quan sát và ghi lại dữ liệu trong cùng một thời điểm, tạo thành một mạng lưới kính thiên văn khổng lồ có đường kính tương đương đường kính Trái đất.

Mô phỏng máy tính hình ảnh lỗ đen với hào quang vật chất bao quanh bóng tối lỗ đen (viền sáng mỏng là quỹ đạo photon, chân trời sự kiện nằm trong vùng bóng tối này). Ảnh: Wikipedia.

Kính thiên văn ảo này làm tăng độ phân giải góc đến mức đủ quan sát cấu trúc lớn của vùng bao quanh chân trời sự kiện (Chân trời sự kiện là biên phía trong của không-thời gian gần một điểm kỳ dị, tất cả các loại vật chất nếu nằm dưới giới hạn này, kể cả các sóng điện từ (gồm cả ánh sáng) đều không thể vượt ra ngoài để đến với người quan sát).

Dự án này hy vọng thực hiện kiểm chứng thuyết tương đối tổng quát của Einstein, khi sẽ phát hiện ra những sai lệch dưới ảnh hưởng trường hấp dẫn mạnh của một lỗ đen. Ngoài ra còn có nghiên cứu đĩa bồi tụ và các tia phát ra từ lỗ đen, thảo luận về sự tồn tại của chân trời sự kiện và phát triển cơ sở vật lý lỗ đen.

Trong năm tới có lẽ chúng ta sẽ có bức ảnh đầu tiên về chân trời sự kiện, khi đó có thể biết được liệu các mô phỏng số có đáng tin cậy hay không.

Cho dù câu trả lời là gì, các mô phỏng số về lỗ đen đã cho thấy khoa học của con người đã rất tiến bộ chỉ trong vài thập kỉ qua. Tương lai không xa, có lẽ người ta sẽ khám phá ra được bí mật của các lỗ đen vũ trụ, và cách mà các thiên hà đã được hình thành như thế nào.

Theo zing.vn