Các nhà khoa học lên kế hoạch quay phim siêu hố đen

Sau ảnh chụp đầu tiên của hố đen dải Ngân Hà, kính viễn vọng Chân trời sự kiện sẵn sàng tiến hành bước tiếp theo để ghi hình dòng khí di chuyển hỗn loạn quanh hố đen.

Kính viễn vọng Chân trời sự kiện (EHT) đã ghi hình hố đen Sagittarius A* ở dải Ngân Hà và hố đen ở trung tâm thiên hà M87. Hố đen thường xuyên biến động do khí gas di chuyển xung quanh bề mặt của nó (chân trời sự kiện), nhưng những ảnh chụp vẫn chưa thực sự mô tả sự vận động này. Vì vậy, các nhà khoa học đang lên kế hoạch dựng thước phim sản xuất bằng cách liên tục chụp ảnh hố đen qua nhiều tháng và nhiều năm. Giới nghiên cứu hy vọng thước phim sẽ thể hiện quá trình tiến hóa của đĩa bồi tụ hố đen khi khí gas đổ vào đó và từ trường bên trong đĩa bị rối như thế nào.

Ảnh chụp hố đen Sagittarius A* ở trung tâm dải Ngân Hà.

"Chúng tôi từng nỗ lực sản xuất thước phim với dữ liệu năm 2017", Katie Bouman, nhà khoa học vi tính ở Viện Công nghệ California, chia sẻ. "Chúng tôi đã phát triển thuật toán cho phép dựng phim và ứng dụng vào dữ liệu. Chúng tôi nhận thấy dữ liệu hiện có chưa đủ xây dựng thước phim mà chúng tôi có thể tự tin khi đề cập tới".

Do đó, các nhà khoa học cần nhiều dữ liệu hơn trước khi việc dựng video trở nên khả thi. Quá trình thu thập dữ liệu mất nhiều thời gian và những kính viễn vọng tham gia dự án EHT có nhiều chương trình quan sát khác cần hoàn thành. Để vượt qua thách thức, những kỹ sư cần áp dụng nhiều cải tiến công nghệ để vào năm 2014, nhóm nhà thiên văn học của EHT có thể chuyển đổi quan sát. Khả năng đó sẽ cho phép giới khoa học tận dụng thời gian rảnh rỗi của kính viễn vọng trong thời gian dài, thay vì thực hiện chiến dịch quan sát 1 – 2 tuần.

Vincent Fish, nhà vật lý thiên văn ở Đài quan sát Haystack của Viện Công nghệ Massachusetts, gọi cách tiếp cận trên là quan sát nhanh. Dù quan sát nhanh bắt đầu vào năm 2024, các nhà khoa học EHT sẽ cần vài năm để xử lý dữ liệu thành một bộ phim, sử dụng kỹ thuật chụp ảnh mà Bouman mô tả.

Vật thể trong bộ phim đầu tiên sẽ là hố đen ở M87, một thiên hà hình elip ở trung tâm cụm thiên hà Virgo cách Trái Đất 54,5 triệu năm ánh sáng. Dù nằm ở khoảng cách cực xa, hố đen này xuất hiện trên bầu trời với kích thước tương tự Sagittarius A*. Vòng khí gas quanh Sagittarius A* có thể đặt vừa trong quỹ đạo của sao Thủy, bán kính của nó vào khoảng 58 triệu km trong khi hố đen ở trung tâm M87 có thể dễ dàng bao quanh quỹ đạo của mọi hành tinh trong hệ Mặt Trời.

Kích thước khổng lồ của M87 thực sự giúp ích khi dựng phim. Do Sagittarius A* nhỏ hơn nhiều, những thay đổi cũng xảy ra nhanh hơn hẳn khi khí gas lao quanh hố đen, quá nhanh để EHT theo dõi bằng quan sát ngẫu nhiên. Vì hố đen M87 quá lớn, thay đổi ở vòng khí gas của nó mất nhiều tuần hoặc nhiều tháng để trở nên rõ nét, cho phép ghi hình bộ phim.

Quan sát nhanh còn có nhiều lợi ích khác. Đôi khi, hố đen trải qua một đợt bùng phát khi xé rách tiểu hành tinh hoặc đám mây khí lang thang quá gần. Quan sát những đợt bùng phát như vậy đòi hỏi bám sát nhanh, điều EHT chưa thể làm được trước đây do vấn đề sắp xếp thời gian của kính viễn vọng và bố trí thiết bị cần thiết. Với quan sát nhanh, EHT có thể bám sát sự kiện chỉ với một công tắc nếu các nhà thiên văn học phát hiện bùng phát ở M87 hoặc thậm chí Sagittarius A*.

Dù thước phim về Sagittarius A* không thể ra đời trong tương lai gần, có nhiều điều cần quan sát ở hố đen này. EHT đã đo độ phân cực trong ánh sáng từ đĩa khí gas của M87, giúp các nhà thiên văn học xác định độ mạnh và hướng của từ trường trong đĩa.

"Bước tiếp theo là tạo ra ảnh phân cực của Sagittarius A*, nhờ đó chúng tôi có thể nhìn thấy từ trường gần hố đen và cách chúng bị kéo xung quanh hố đen", Michael Johnson, nhà nghiên cứu ở Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard–Smithsonian, cho biết.

Một bước khác là khiến quan sát hố đen của EHT rõ nét hơn. 7 đài quan sát hợp tác để chụp ảnh hố đen M87. Với việc bổ sung kính viễn vọng Nam Cực, 8 đài quan sát tham gia chụp ảnh Sagittarius A*. Kính viễn vọng Chân trời sự kiện vận hành thông qua Kỹ thuật giao thoa đường cơ sở rất dài, kỹ thuật ghép từng cặp kính viễn vọng. Đường cơ sở (khoảng cách giữa các kính viễn vọng), tương ứng với khẩu độ của kính viễn vọng thông thường.

Nếu có thêm nhiều kính viễn vọng tham gia dự án EHT, đường cơ sở nối liền những đài quan sát có thể tăng lên về số lượng và độ dài. Độ dài càng tăng, độ phân giải càng cao, cho phép giới khoa học nhìn thấy nhiều chi tiết nhỏ hơn. Trong khi đó, tăng số lượng đường cơ sở giúp độ nhạy và số góc quan sát của EHT tăng lên.

HT (theo khoahoc.tv)