HỐ ĐEN trông như thế nào? | SAMURICE

Hố đen có diện mạo khá kỳ dị. Đầu tiên, không phải hố đen nào cũng giống hố đen nào. Có những hố đen thực sự không thể nhìn thấy được vì nó chỉ là một lỗ đen trên trời. Và rồi thì cũng có những hố đen có đặc tính cho phép chúng tỏa sáng, tạo ra những đĩa bồi tụ quanh mình và hiện lên như một quả cầu trong suốt đen đặc giữa một vành đai ửng màu.

Hố đen dù có nhiều diện mạo khác nhau nhưng chúng đều có một đặc tính là siêu trọng lực. Siêu trọng lực này được thể hiện bằng thông tin chắc hẳn ai cũng đã từng nghe qua tới cả trăm lần rằng nó mạnh tới mức hút cả ánh sáng. Tuy nhiên, hệ quả của việc hút ánh sáng này mới là thứ khiến mọi thứ khác biệt.

Có những hố đen không có nguồn sáng ở gần như những ngôi sao. Những hố đen nhỏ bé này lạc trôi trong vũ trụ và rất khó có thể được phát hiện. Để nhìn thấy các hố đen đó, ta cần nhìn vào những bức xạ nó tỏa ra và cách nó tạo hiệu ứng thấu kính hấp dẫn khi nó bẻ cong ánh sáng quanh mình.

Tuy nhiên, có những hố đen được trưng bày một cách cẩn thận hơn, nó nằm ở gần các tinh tú và theo thời gian, nó sẽ lôi kéo các tia sáng từ những ngôi sao này về phía mình, tạo ra một bức tranh của một cục đen tròn giữa những vầng sáng khổng lồ.

Và tất nhiên, sẽ có cả những hố đen đủ mạnh để xé toạc ngôi sao nó kéo về, từ đó phun ra những tia bức xạ chết chóc và biến cả ngôi sao thành một lớp bọc sáng bừng quanh mình. Đây là hình ảnh của những hố đen ta từng thấy trên các phim điện ảnh, sáng bừng và chết chóc.

Sự tồn tại của đĩa bồi tụ hay Accretion Disks này là minh chứng cho thấy hố đen đang trong quá trình hút bụi và tiêu diệt các ngôi sao gần nó. Vật chất xung quanh bao gồm cả các ngôi sao bị trọng lực của Hố đen kéo vào và khiến chúng bay vòng quanh hố đen với tốc độ chóng mặt. Ở tốc độ đó, các vật chất ma sát vào nhau và sáng bừng lên. Chưa hết, lốc xoáy vật chất đó còn bị cuốn ra 2 cực của hố đen, tạo ra tia sáng chết chóc mang tên chuẩn tinh hay Quasar.

Nhờ những đặc tính trên, các nhà khoa học mới có cách để tìm kiếm hố đen. Thay vì nhìn lên trời và ngắm những mẩu đen đặc vô tận thì họ có thể tìm các tia Quasar hoặc các đĩa bồi tụ để xác định hố đen. Và đến năm 1971, hố đen đầu tiên đã được tìm thấy tại chòm sao Cygnux-1, biến khái niệm hố đen từ giả thuyết thành thực tế.

Chúng ta có giả thuyết về hố đen của Einstein, không ai dám tin nó là thật và đến thập kỷ 70 thì ta xác định được nó rồi. Giờ thì chúng ta còn gì để làm về hố đen nữa? Thực tế thì chẳng ai muốn dừng trí tò mò lại cả. Khi ta đã xác định được hố đen tồn tại, việc ta cần làm là chụp một bức ảnh xem nó trông như thế nào, có như ta nghĩ không hay sẽ không khác lắm. Và đó là điều nói dễ hơn làm.

Hố đen nằm ở mọi nơi trong vũ trụ này, số lượng hố đen của riêng dải ngân hà chúng ta đang sống đã có thể lên tới 10 tỷ rồi. Tuy nhiên vì bản chất của hố đen là một hiện tượng không phản sáng, ta khó có thể nhìn vào khoảng không vô tận và nói rằng đó là hố đen được. Làm thế nào để phân biệt giữa đen và đen? Đó là một công việc vô cùng khó khăn, thậm chí với công nghệ viễn vọng đương đại thì đó vẫn là một điều không ai muốn làm.

Tuy nhiên, ta có một cách để giải quyết vấn đề khá hiệu quả. Thay vì truy tìm các hố đen ẩn mình trong màn đêm của vũ trụ, ta có thể tập trung vào nơi mà ta biết chắc là có hố đen, trung tâm của thiên hà.

Hố đen là thứ duy nhất có đủ trọng lực để hút tất cả các vì sao, các hành tinh, các thiên thạch, các đám bụi lại với nhau và tạo ra vòng xoáy khổng lồ mà ta gọi là thiên hà. Ở trung tâm mọi thiên hà đều có một hố đen, một hố đen không bình thường, cụ thể hơn thì đây là hố đen siêu khối lượng, Super Massive Blackhole.

Hố đen này nặng tới mức nó có thể chứa đựng cả triệu mặt trời, đơn cử như hố đen ở trung tâm dải ngân hà The Milky Way có tên là Sagittarius A* có khối lượng tương đương 4.5 triệu mặt trời. Và khi ta nhớ rằng Trái Đất còn chẳng bằng 1% của Mặt trời thì ta sẽ hiểu hố đen này khổng lồ tới mức nào.

Với sức nặng triệu mặt trời, hố đen trung tâm sẽ kéo về cho mình cả ngàn ngôi sao, trở thành lõi sáng chói của cả thiên hà và chắc chắn sẽ có đủ ánh sáng để ta nhìn vào và chụp một bức ảnh.

Vậy nhiệm vụ bây giờ sẽ là chĩa ống kính vào trung tâm thiên hà và bấm nút chụp đúng không? Khá đúng là vậy nhưng đây lại là một điều khá vô nghĩa.

Đầu tiên, khi nhìn vào trung tâm của giải ngân hà, thứ chúng ta thấy được sẽ là một đống bụi khổng lồ, sáng bừng bởi mật độ dày đặc các ngôi sao quanh đây. Hố đen trung tâm cực kỳ ưa thích các ngôi sao vì độ béo ngậy của chúng, vậy nên đây sẽ là nơi tập trung nhiều sao nhất.

Chưa hết, vì khoảng cách khổng lồ giữa chúng ta và hố đen này, ánh sáng di chuyển từ khu vực này đến mắt của chúng ta sẽ chỉ còn là những ảo ảnh mờ nhạt. Vậy nên để thực sự nhìn được chúng, ta cần ống kính hồng ngoại.

Tuy nhiên khi sử dụng ống kính hồng ngoại nhìn vào lõi của thiên hà, ta chỉ thấy những ngôi sao đang bị cái gì đó đen đặc tung hứng với tốc độ gần bằng 8% tốc độ ánh sáng mà thôi. Với khả năng phi thường như vậy, ta khá chắc đó chính là hố đen đang hất tung các ngôi sao quanh nó lên với trọng trường khổng lồ của mình.

Việc xác định được vị trí của hố đen thực sự không phải dễ dàng nhưng nó chưa phải là bước tiến lớn trong việc chụp hình nó. Hố đen Saggitarius A* của chúng ta về cơ bản vẫn là một hố đen, điều đó nghĩa là nó đã khá là khổng lồ rồi. Tuy nhiên vì khoảng cách giữa chúng ta và nó quá lớn, khi nhìn lên trời và chĩa ống kính vào lõi thiên hà, nó trông chả khác gì một hạt bụi nằm trên một hạt cát.

Vì độ tí hon của hố đen trong mắt chúng ta, để có được bức ảnh hẳn hoi, ta sẽ cần ống kính siêu to khổng lồ, khổng lồ tới mức gần bằng cả Trái Đất. Và đó tất nhiên là điều không thể xảy ra được. Nước Mỹ có tặng tự do cho cả thế giới thì cũng không đủ tiền cho NASA xây ống kính khổng lồ như thế.

Với những người không có đào tạo bài bản về khoa học vũ trụ như chúng ta thì chắc chắn sẽ bó tay. Nhưng với những bộ não có sạn ở các trường đại học hàng đầu về vũ trụ thì khác. Thay vì sử dụng ánh sáng để chụp ảnh, họ sẽ dùng sóng khác để xác định thông tin về hố đen rồi sau đó xuất bản ra hình ảnh của hố đen. Nó như thể thầy bói xem voi vậy, ta nghe hố đen gầm gừ ngoài vũ trụ rồi sau đó vẽ lại hình ảnh của nó.

Nghe thì có vẻ không chính xác nhưng đây là lần hiếm hoi mà trăm thấy không bằng một nghe. Hố đen liên tục tỏa ra sóng Radio và ánh sáng thì cũng là sóng, việc tiếp nhận ánh sáng và tiếp nhận sóng Radio không có nhiều khác biệt khi ta có đủ công cụ để phân tích sóng radio và biến nó thành hình ảnh. Và đó chính là điều các nhà khoa học đã làm.

Kế hoạch bây giờ khá rõ ràng, họ sẽ chĩa các đài quan sát radio hay Radio Telescope vào hố đen của dải ngân hà và lắng nghe nó ngày này qua ngày khác để có đủ thông tin và xuất ra hình ảnh của hố đen. Nhưng một đài Radio Telescope thì không đủ. Trái Đất liên tục quay và chúng ta không thể cứ bật máy lên khoảng 6 tiếng rồi lại tắt nó đi được. Để chụp ảnh phơi sáng thì ta cần phơi máy càng lâu càng tốt, chụp ảnh hố đen thì chắc chắn phải tận dụng mọi giây mọi phút chúng ta có. Các đài quan sát sẽ phơi sáng hố đen 24/24 và khi Trái Đất quay, chúng ta sẽ có một bức tranh toàn cảnh 360 độ về nó. Sau khi có đủ thông tin, việc còn lại là đem lượng thông tin đó vào thuật toán có khả năng lắp ghép các mảnh đó lại thành một bức tranh.

Vậy nên các nhà khoa học trên toàn cầu đã cùng nhau bắt tay, xây dựng nên dự án có tên Event Horizon Telescope Collaboration, sử dụng toàn bộ các đài quan sát Radio trên toàn cầu để chĩa vào hố đen và lắng nghe nó.

Sự phối hợp này không chỉ đòi hỏi các nhà khoa học phải kết nối các đài quan sát lại với nhau mà còn phải thu thập lượng thông tin vô cùng khủng khiếp thì mới thực hiện được. Vậy là Bồ Đào Nha, Pháp, Chile, Mỹ, Mexico và nhiều quốc gia khác nhau đã bắt tay nhau và hỗ trợ các nhà khoa học với ước mơ vô tưởng này.

Tuy nhiên, móng tay của các nhà khoa học đã gặp vỏ quýt của hố đen. Hố đen Sagitarius A* của chúng ta khó chụp quá. Nó quá bé và quá bụi để có được một bức ảnh hoàn chỉnh. Vậy nên trong quá trình nghiên cứu cách để cải thiện hình ảnh về hố đen, các nhà khoa học nhận ra, mình hoàn toàn có thể chụp một hố đen khác. Hố đen là hố đen, chụp cái nào mà chả được, vậy sao không chụp cái to hơn, dễ nhìn hơn? Vậy là họ đã chĩa ống kính lên một thiên hà khác, thiên hà Messier 87 với hố đen cách chúng ta 54 triệu năm ánh sáng. M87 xa hơn nhiều so với Saggitarius A* nhưng lại to gấp nhiều lần, khối lượng của M87 phải tương đương 2400 tỷ mặt trời. Với khối lượng đó, dù ở khoảng cách xa thì ta vẫn nhìn thấy nó trong na ná như Saggitarius A* của nhà mình. Vậy nên mục tiêu thứ 2 đã được chọn.

Bức ảnh hố đen đầu tiên đã đánh bay mọi nghi ngờ dành cho thuyết tương đối của Einstein về cách trọng lực vận hành vũ trụ. Chúng ta được nhìn thấy đĩa bồi tụ của hố đen, được thấy những tia sáng đang bị nó phun ra vì hành trình siêu tốc quanh hố đen. Sự vỡ òa trong hào hứng của cả giới khoa học thực sự không thể so sánh được. 100 năm trước Einstein đã nói rằng hố đen tồn tại và ngày nay, hậu bối của ông đã chụp được bức ảnh về thứ mà ông chỉ có thể tưởng tượng ra.

Nhưng mọi thứ chưa dừng lại ở đó, ta mới chỉ nhìn thấy bức ảnh còn mờ ảo của M87. 2 năm sau, với nhiều thời gian phơi sáng và chạy thuật toán hơn, bức ảnh đã được làm rõ nét hơn, thể hiện rõ hơn đường chân trời sự kiện của hố đen và đĩa bồi tụ của nó. Chưa hết, trong toàn bộ thời gian trên, hố đen của chúng ta vẫn đang được phơi sáng và đang được xử lý hình ảnh. Bức ảnh mờ ảo đầu tiên của Saggitarius A* cũng đã được công bố và chúng ta đã có bước tiến xa hơn trong công cuộc khám phá quê nhà khổng lồ của mình.

Ta sẽ làm gì với những bức ảnh này? Có ngần này thông tin về hố đen, ta có thể xây dựng mô hình về hoạt động của khí ga trong vũ trụ, cách thiên hà hình thành, cách siêu hố đen hoạt động, so sánh hố đen M87 và Saggitarius A* để hiểu sự khác biệt giữa 2 thiên hà và vô vàn việc khác cần phải làm.

Và trong lúc đó, vào năm 2022, Event Horizon Telescope đã huy động các đài quan sát khác trên thế giới tham gia với họ trong hành trình chụp ảnh các hố đen để cùng nhau có thêm những bức ảnh đẹp hơn, sắc nét hơn về trái tim của thiên hà.

Trong tương lai, ta có thể được nhìn thấy những hố đen khác với những hình ảnh sắc nét hơn và học kỹ hơn về các hiện tượng kỳ lạ này. Và đó quả thực là một tương lai quá đỗi hấp dẫn với bất cứ ai đam mê với khoa học.