Hình ảnh lỗ đen cho chúng ta biết điều gì

Khi các nhà khoa học 'chụp ảnh' một lỗ đen vô hình: hình ảnh chụp khu vực xung quanh nó, được tạo ra từ dữ liệu được thu thập bởi một bộ kính thiên văn và cung cấp nền tảng để hiểu rõ hơn về các lỗ đen.

Hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen. Được chụp bởi dự án Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện. (Nguồn ảnh: National Science Foundation)

Các lỗ đen được cho là vùng tối nhất trong toàn bộ vũ trụ. Chưa hết, khi các nhà khoa học công bố vào tuần trước rằng lần đầu tiên họ có thể chụp được một bức ảnh về một lỗ đen, hình ảnh mà họ công bố chỉ là bóng tối. Nó có màu cam sáng và hình chiếc bánh rán đã trở thành một trong những hình ảnh được lưu truyền rộng rãi nhất trong một tuần qua. Khi ánh sáng không thể thoát ra khỏi lỗ đen, bức ảnh đã đạt được như thế nào, và điều gì làm nên thành tựu quan trọng?

Những gì hình ảnh hiển thị

Đối tượng chính của bức ảnh, một lỗ đen nằm cách Trái đất 55 triệu năm ánh sáng, ở trung tâm của một thiên hà có tên là Messier 87, được giới hạn trong lõi trung tâm nhỏ và tối của hình chiếc bánh rán trong ảnh, chỉ có thể nhận dạng được vì xung quanh tươi sáng nó được bao bọc bên trong. Đây là cách duy nhất có thể chụp ảnh một lỗ đen - bằng cách chụp toàn bộ khu vực xung quanh nó. Bản thân lỗ đen không phát ra hoặc bức xạ ánh sáng, hoặc bất kỳ sóng điện từ nào khác có thể được phát hiện bởi các công cụ do con người chế tạo. Nhưng khu vực ngay bên ngoài ranh giới của lỗ đen - được gọi là chân trời sự kiện - có một lượng lớn khí, mây và plasma cuộn xoáy dữ dội, phát ra tất cả các loại bức xạ, kể cả ánh sáng nhìn thấy.

Giải thích: Đây là một lỗ đen và tại sao không có lỗ đen nào được chụp ảnh trước đó

Bên ngoài của lỗ đen cũng không dễ được chụp ảnh. Hố đen được đề cập có đường kính 1,5 ngày ánh sáng, hay khoảng 40 tỷ km. Vòng bên ngoài lỗ đen thường có độ mở rộng lớn hơn 4 đến 5 lần. Nhưng khoảng cách rất xa so với Trái đất có nghĩa là việc ghi lại bất cứ thứ gì tốt hơn một bức tranh kích thước điểm là không thể thực hiện được với các thiết bị có sẵn. Các nhà khoa học đã tính toán rằng một bức ảnh có độ phân giải cao hơn, giống như bức ảnh cuối cùng họ có thể chụp, cần một kính thiên văn có ăng ten lớn bằng chính Trái đất.

Tại sao nó quan trọng

Các nhà khoa học đã sử dụng hình ảnh mô phỏng trên máy tính của các lỗ đen trong vài năm để nghiên cứu các khu vực này. Lần đầu tiên, họ có một hình ảnh thực tế. Mặc dù chúng có vẻ khá giống nhau, nhưng các nhà khoa học giờ đây sẽ bắt đầu xem xét kỹ hình ảnh thực tế để xem liệu nó có khác với hình ảnh mô phỏng trên máy tính về các chi tiết hay không và liệu những khác biệt này có thể được giải thích bằng thiết bị đo đạc, quan sát hay các lỗi khác hay không. Điều này có thể cung cấp một bài kiểm tra cho các lý thuyết hiện có về vũ trụ, và dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về các lỗ đen và bản chất của chính vũ trụ.

Chọn lỗ đen

Có một phương pháp thay thế cho việc chụp ảnh lỗ đen trong thiên hà M87 - cố gắng chụp một lỗ đen gần hơn nhiều. Có hàng nghìn, có thể hàng triệu lỗ đen gần Trái đất hơn nhiều, nhưng không phải mọi lỗ đen đều có thể là ứng cử viên để được chụp ảnh. Các nhà khoa học đang tìm kiếm một kích thước cụ thể của lỗ đen, đủ lớn để có thể chụp được bằng các thiết bị có sẵn trên Trái đất. Hố đen trong thiên hà M87 có kích thước gấp 6 tỷ lần Mặt trời và là một trong những hố đen lớn nhất từng được biết đến. Không có lỗ đen nào có kích thước tương đương gần Trái đất hơn.

Đọc | Hình ảnh chân trời sự kiện của Hố đen đã được tạo ra nhờ tác phẩm của sinh viên tốt nghiệp MIT này

Dù sao cũng có một ứng cử viên, trong thiên hà Milky Way của chính chúng ta. Hố đen Sagittarius A *, ở trung tâm của Dải Ngân hà, có kích thước gấp khoảng 4,3 triệu lần Mặt trời và chỉ cách Trái đất 25.000 năm ánh sáng. Nó gần Trái đất hơn khoảng 2.000 lần so với thiên hà M87, nhưng cũng nhỏ hơn khoảng 1.500 lần. Do đó, về quy mô, hai lỗ đen ứng cử viên mang lại cơ hội được chụp ảnh tương tự nhau.

Thiết lập kính thiên văn

Kính viễn vọng có kích thước bằng Trái đất không phải là thứ có thể được tạo ra. Vì vậy, các nhà khoa học đã phải nghĩ ra những phương pháp mới tài tình để khắc phục những hạn chế của dụng cụ của họ. Họ quyết định sử dụng tám kính thiên văn vô tuyến lớn nhất và tinh vi nhất trên thế giới, đồng thời liên kết chúng với một kỹ thuật có thể khiến chúng hoạt động giống như một kính thiên văn ảo có kích thước bằng Trái đất. Các kính thiên văn đã đồng thời ghi lại các bức xạ phát ra từ vùng lỗ đen. Mỗi kính thiên văn đều được gắn đồng hồ nguyên tử để các bản ghi của chúng sau này có thể khớp với độ chính xác cực cao.

Cũng đọc | Chân trời sự kiện lỗ đen: Đây là những gì nó trông như thế nào

Mỗi kính thiên văn riêng lẻ đều thu thập bức xạ đi vào từ vùng lỗ đen. Nhưng vì giới hạn về kích thước, tất cả họ chỉ có thông tin rất hạn chế về lỗ đen. Việc đối sánh dữ liệu được ghi lại bởi từng kính thiên văn này vào những thời điểm chính xác đã cung cấp cho các nhà khoa học thêm một số thông tin, nhưng không thể làm gì về lượng thông tin khổng lồ mà các kính thiên văn này không thể thu thập được.

Xây dựng hình ảnh từ dữ liệu

Chính tại đây, các nhà khoa học đã nhờ đến sự trợ giúp của siêu máy tính để tái tạo lại hình ảnh đầy đủ của lỗ đen với thông tin hạn chế mà kính thiên văn thu được. Việc xây dựng lại toàn bộ hình ảnh với dữ liệu hạn chế không phải là điều bất thường. Các kỹ thuật nén mà chúng tôi sử dụng để giảm kích thước của các tệp nhạc, hình ảnh hoặc video trên máy tính của chúng tôi hoạt động theo các nguyên tắc tương tự. Chúng tôi loại bỏ nhiều thông tin trong khi giảm kích thước, nhưng máy tính vẫn có thể tạo lại nhạc hoặc video, mặc dù có một số giảm chất lượng.

Tất nhiên, thách thức đối với các nhà khoa học nghiên cứu hình ảnh lỗ đen phức tạp hơn so với các kỹ thuật được sử dụng để nén tệp. Họ có một lượng lớn dữ liệu cần xử lý, nhưng thông tin thu được trực tiếp từ bức xạ lại cực kỳ hạn chế. Do đó, không ngạc nhiên khi họ phải viết các thuật toán hoàn toàn mới, sử dụng các cách tiếp cận đột phá, để tái tạo hình ảnh.

Kết quả là, một số lượng lớn pixel trên bức ảnh đó được giới thiệu với thế giới có thể được tạo ra bởi máy tính. Nhưng chúng được tạo ra bằng cách sử dụng thông tin trong các pixel là kết quả quan sát trực tiếp của kính thiên văn, chứ không phải được tạo ra từ các mô hình toán học, như xảy ra trong hình ảnh mô phỏng trên máy tính.

Một số siêu máy tính nhanh nhất thế giới đã mất hai năm để xử lý lượng dữ liệu khổng lồ và tái tạo hình ảnh của lỗ đen trong thiên hà M87. Một bức ảnh về lỗ đen Nhân Mã A * vẫn chưa được công bố, có vẻ như vì hình ảnh chưa sẵn sàng.

Chia Sẻ VớI BạN Bè CủA BạN: