[비즈한국] Năm 2019, các nhà thiên văn học đã thành công trong việc ghi lại hình ảnh của một lỗ đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm thiên hà hình elip khổng lồ M87. Đây là thành quả đạt được thông qua dự án lịch sử mang tên Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (Event Horizon Telescope - EHT), một mạng lưới các kính viễn vọng vô tuyến được lắp đặt trên khắp Trái đất, từ Bắc Cực đến Nam Cực. Sau đó, vào năm 2022, dự án này tiếp tục ghi lại thành công hình ảnh lỗ đen Sagittarius A* nằm ở trung tâm dải Ngân hà của chúng ta. Mặc dù lỗ đen ở trung tâm Ngân hà có khoảng cách gần hơn nhiều, nhưng việc quan sát lại mất nhiều thời gian hơn do mật độ các vì sao và đám mây bụi dày đặc đã che khuất tầm nhìn, khiến công việc trở nên khó khăn hơn.
Bạn có thể nghĩ rằng việc chụp ảnh một lỗ đen là điều vô lý. Chẳng phải cái tên "lỗ đen" bắt nguồn từ việc lực hấp dẫn của nó mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài hay sao? Vậy thì làm thế nào chúng ta có thể chụp ảnh một thứ không phát ra bất kỳ ánh sáng nào?
Điều đó hoàn toàn đúng. Trên thực tế, nói một cách chính xác, việc chụp ảnh chính lỗ đen là không thể. Tuy nhiên, chúng ta có thể quan sát được ánh sáng rò rỉ ra từ bên ngoài chân trời sự kiện của lỗ đen. Lỗ đen thu hút một lượng lớn vật chất xung quanh nhờ lực hấp dẫn cực mạnh. Vật chất quay quanh lỗ đen với tốc độ cao sẽ bị nung nóng và phát ra ánh sáng. Những hình ảnh được công bố vào năm 2019 và 2022 chính là dấu vết của ánh sáng đó.
Cả lỗ đen ở trung tâm M87 và trung tâm dải Ngân hà đều cho thấy hình ảnh chiếc vòng ánh sáng đặc trưng, với phần trung tâm trống rỗng và đen ngòm. Bên trong đó ẩn chứa chân trời sự kiện, vùng tối sâu thẳm nhất của vũ trụ nơi ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra. Mọi thứ đi vào bên trong chân trời sự kiện đều không bao giờ có thể quay trở ra. Mặc dù bản thân lỗ đen là một điểm, các nhà thiên văn học thường so sánh kích thước của chúng thông qua kích thước chân trời sự kiện. Thật đáng tiếc, không ai biết điều gì đang xảy ra bên trong chân trời sự kiện. Thay vào đó, chúng ta có thể nhìn thấy vòng ánh sáng phát ra dọc theo không-thời gian bị bẻ cong cực độ quanh lỗ đen. Hình ảnh giống như chiếc bánh donut màu cam chính là bóng của lỗ đen mà nhân loại đã xác nhận.
Dữ liệu quan sát bằng Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện hiện được công khai cho bất kỳ ai cũng có thể truy cập. Tuy nhiên, gần đây, một số nhà thiên văn học đã phân tích lại dữ liệu lưu trữ này và đặt ra một vấn đề thú vị. Họ cho rằng hình ảnh lỗ đen hình bánh donut màu cam mà chúng ta vẫn biết thực chất là sai lệch. Họ lập luận rằng họ không thể tái tạo lại hình ảnh lỗ đen hình bánh donut màu cam như nhóm EHT đã làm. Liệu bức ảnh xác nhận sự tồn tại của lỗ đen mà chúng ta đã thấy có thực sự sai?
Hai lỗ đen mà Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện nhắm tới thực chất trông rất nhỏ trên bầu trời. Lỗ đen Sagittarius A* ở trung tâm Ngân hà có khối lượng gấp khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt trời. Kích thước chân trời sự kiện của nó chỉ khoảng 160 triệu km. Nó chỉ bằng đường kính quỹ đạo của Sao Thủy! Tuy nhiên, lỗ đen này cách Trái đất tới 27.000 năm ánh sáng. Trên bầu trời Trái đất, chân trời sự kiện của lỗ đen này chỉ rộng khoảng 0,00001 độ, trông nhỏ như một dấu chấm. Nói một cách đơn giản, nó giống như việc nhìn một chiếc bánh donut nhỏ ở khoảng cách bằng từ Trái đất đến Mặt trăng. Lỗ đen ở trung tâm M87 cũng tương tự.
Để phân biệt rõ ràng một thiên thể nhỏ đến mức này, cần có một kính viễn vọng khổng lồ. Chúng ta cần một chiếc đĩa lớn gần bằng kích thước của cả Trái đất. Tất nhiên, không thể xây dựng được một kính viễn vọng khổng lồ như vậy. Thay vào đó, các nhà thiên văn học đã chọn cách đồng bộ hóa và hợp nhất dữ liệu quan sát từ các kính viễn vọng vô tuyến phân tán trên khắp thế giới. Phương pháp quan sát cùng một thiên thể bằng nhiều kính viễn vọng vô tuyến như vậy được gọi là giao thoa kế vô tuyến.
Tuy nhiên, giao thoa kế vô tuyến cũng có những hạn chế cố hữu. Cách lý tưởng nhất là phủ kín toàn bộ bề mặt Trái đất bằng các kính viễn vọng vô tuyến, nhưng điều đó là không thể. Do đó, có những khoảng trống trong hệ thống giao thoa kế khổng lồ này. Giống như việc chúng ta không thể thu thập các mảnh gương vỡ để tạo thành một chiếc gương phẳng hoàn hảo mà chỉ có thể nhìn qua những lỗ hổng giữa các mảnh gương. Vì vậy, các nhà thiên văn học đã sử dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo để truy vết những gì có thể xuất hiện ở các mảnh gương còn thiếu và hoàn thiện hình ảnh lỗ đen.
Gần đây, các nhà thiên văn học Nhật Bản, trong đó có Makoto Miyoshi, đã phân tích liệu có thể tái tạo lại hình ảnh lỗ đen trung tâm Ngân hà được công bố năm 2022 bằng cách sử dụng kết quả quan sát của EHT hay không. Kết quả là họ không thể tạo lại hình ảnh lỗ đen hình bánh donut màu cam nổi tiếng. Thay vào đó, họ chỉ tạo ra một hình ảnh khối duy nhất chứ không phải hình vòng. Do đó, một vấn đề đã được đặt ra là không thể phân biệt rõ ràng giữa vòng ánh sáng quanh lỗ đen và chân trời sự kiện chỉ dựa trên các quan sát hiện có của EHT.
Một trong những điểm cốt lõi mà họ đặt ra là kích thước của vòng ánh sáng được thể hiện trong hình ảnh lỗ đen hiện tại gần bằng với giới hạn độ phân giải của Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện.
Trong thiên văn học, mức độ lan tỏa của ánh sáng từ nguồn sáng được biểu thị bằng "hàm trải điểm" (Point spread function - PSF). Ánh sáng lẽ ra phải là một điểm nhưng khi đi qua kính viễn vọng lại bị tán xạ thành hình tròn và nhòe ra mọi hướng. Dạng thức này được gọi là PSF. Nhóm nghiên cứu đặt ra vấn đề rằng, khi xem xét sự sắp xếp và hiệu suất của các kính viễn vọng được sử dụng vào thời điểm đó, giới hạn PSF cho thấy hình ảnh có thể nhòe đến mức nào lại gần tương đương với kích thước của vòng ánh sáng trong ảnh. Vì vậy, họ cho rằng thay vì thấy một vòng ánh sáng rõ nét, chúng ta thực tế chỉ thấy một đốm nhòe.
Đặc biệt, họ lập luận rằng đã xảy ra một lỗi nào đó trong quá trình nhóm EHT sử dụng thuật toán AI để tái tạo hình ảnh. Vào thời điểm đó, nhóm EHT đã tái tạo dữ liệu quan sát dựa trên mô hình hình ảnh lỗ đen được xây dựng theo lý thuyết. Tuy nhiên, mô hình hình ảnh lý thuyết ban đầu vốn dĩ đã là hình ảnh dạng vòng ánh sáng lý tưởng nhất. Do đó, vì thuật toán đã được huấn luyện dựa trên hình ảnh dạng vòng lý tưởng không phù hợp với hiệu suất hoặc giới hạn quan sát thực tế, nên rất có khả năng hình ảnh dạng vòng không được quan sát thấy trên thực tế đã bị tạo ra một cách giả tạo.
Vào tháng 6 năm 2022, nhóm nghiên cứu EHT đã lần đầu tiên đưa ra phản hồi chính thức về vấn đề mà nhóm của Miyoshi nêu ra. Họ tuyên bố hoan nghênh việc xác minh công khai kết quả quan sát của mình nhưng chỉ ra rằng nhóm nghiên cứu của Miyoshi đã hiểu sai kết quả quan sát của họ. Tuy nhiên, họ không đưa ra lời giải thích chi tiết nào khác. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu của Miyoshi tiếp tục công bố một bài báo cho rằng có vấn đề nghiêm trọng trong phân tích hình ảnh lỗ đen trung tâm thiên hà M87 và tương tự, vòng ánh sáng chỉ là một hình ảnh ảo không được quan sát thấy trên thực tế. Họ yêu cầu nhóm EHT đưa ra những phản bác và bằng chứng chi tiết hơn.
Trong vài tháng sau đó, nhóm EHT giữ im lặng mà không đưa ra phản bác nào. Sau đó, vào ngày 29 tháng 10 năm 2024, họ đã đăng một bài viết chi tiết trên blog chính thức để phản bác lại phân tích của nhóm Miyoshi.
Trước hết, nhóm EHT chỉ ra rằng nhóm Miyoshi đã không cân nhắc đầy đủ đến sự biến động của lỗ đen trung tâm Ngân hà. Lỗ đen trung tâm Ngân hà có khối lượng và quy mô nhỏ hơn nhiều so với lỗ đen trung tâm M87. Do đó, kích thước chân trời sự kiện xung quanh cũng nhỏ hơn và vật chất bị lỗ đen bắt giữ cũng quay nhanh hơn. Ánh sáng quanh lỗ đen cũng dao động nhanh hơn và liên tục thay đổi hình dạng. Trên thực tế, ánh sáng xung quanh lỗ đen Sagittarius A* ở trung tâm Ngân hà được ước tính dao động theo từng khoảng 10 phút. Nhóm EHT tuyên bố rằng họ đã cân nhắc tất cả những biến động này và tái tạo lại hình ảnh lỗ đen theo từng thời điểm. Ngược lại, họ chỉ ra rằng phân tích của nhóm Miyoshi đã không tính đến những biến động này.
Họ cũng đưa ra bằng chứng xác nhận sự tồn tại của vòng ánh sáng quanh lỗ đen thông qua các quan sát phân cực được thực hiện sau đó. Trên thực tế, nhóm EHT đã từng cung cấp bằng chứng quan sát về cách từ trường xung quanh bị xoắn như thế nào bằng cách quan sát ánh sáng phân cực quanh lỗ đen. Thông qua đó, họ đã đưa ra lời phản bác đối với nhóm Miyoshi.
Tuy nhiên, nhóm EHT cũng có vẻ lùi một bước và giữ thái độ thận trọng. Trong khi phản bác các lập luận của nhóm Miyoshi, họ cũng thừa nhận rằng "có những phân tích bên ngoài khác không ủng hộ cách giải thích của nhóm EHT". Trên thực tế, hiện nay không chỉ có nhóm nghiên cứu của Miyoshi mà cả một vài nhóm nghiên cứu độc lập khác cũng đang đặt ra khả năng hình ảnh lỗ đen dạng vòng hiện có có thể là kết quả bị méo mó. Chỉ trích cho rằng vấn đề không phải là không có chân trời sự kiện hình vòng quanh lỗ đen, mà là vì sử dụng các thuật toán được huấn luyện dưới kỳ vọng rằng nó sẽ có hình vòng, trong khi với hiệu suất kính viễn vọng hiện tại, việc nhìn thấy chân trời sự kiện hình vòng rõ nét là điều bất khả thi, dẫn đến tình trạng "thấy những gì mình muốn thấy".
Thật khó tin khi bức ảnh lịch sử được coi là một trong những thành tựu khoa học vĩ đại nhất của nhân loại trong thế kỷ 21 lại có thể là một bức ảnh sai lệch! Còn quá sớm để phán xét ai đúng ai sai. Tuy nhiên, việc hiểu nhầm tranh cãi này thành việc lỗ đen không tồn tại là điều không nên. Dù là phía ủng hộ hay không ủng hộ hình ảnh lỗ đen hình bánh donut màu cam, không ai nghi ngờ sự thật rằng có những "con quái vật" mang tên lỗ đen tồn tại trong vũ trụ. Tranh cãi ở đây phải được hiểu là vấn đề về việc liệu bức chân dung của con quái vật mà chúng ta đã chụp thực sự trông như thế nào, và liệu bức chân dung mà chúng ta biết từ trước đến nay có đúng hay không.
Cuối cùng, ngay cả khi bức ảnh lỗ đen hình bánh donut màu cam được chứng minh là sai lệch, chúng ta cũng không cần phải thất vọng. Ngược lại, tôi đánh giá cao thái độ của nhóm EHT vì đã không giấu giếm dữ liệu mà công khai để bất cứ ai cũng có thể kiểm chứng. Và đây cũng chỉ là một quá trình để phác họa hình ảnh lỗ đen chính xác hơn. Liệu bức ảnh lỗ đen hình bánh donut màu cam sẽ mãi là bức ảnh xác nhận sự tồn tại của lỗ đen, hay nó sẽ chỉ là một hình ảnh méo mó do hiểu lầm tạm thời? Liệu các nhà thiên văn học có thể tiếp tục kỷ niệm bức ảnh lịch sử về lỗ đen và tiếp tục "ăn bánh donut" hay không?
Hiện tại, nhóm EHT đang lập kế hoạch quan sát bổ sung hình ảnh lỗ đen M87 và trung tâm Ngân hà với độ phân giải sắc nét hơn nhiều bằng cách huy động thêm nhiều kính viễn vọng và đồng thời lên kế hoạch quan sát bằng kính viễn vọng vũ trụ ở dải tần vô tuyến. Hơn nữa, họ còn dự định thực hiện những nỗ lực để chụp lại quá trình biến động của vòng ánh sáng quanh lỗ đen trong thời gian thực, giống như những video hoạt ảnh (GIF), thay vì chỉ dừng lại ở hình ảnh tĩnh. Nếu các quan sát bổ sung được tiến hành, cuộc tranh luận về hình ảnh lỗ đen vốn đang rất nóng hổi gần đây sẽ được giải quyết.
Tham khảo
https://academic.oup.com/mnras/article/534/4/3237/7660988?login=false
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac6ddb
https://eventhorizontelescope.org/blog/imaging-reanalyses-eht-data
https://eventhorizontelescope.org/blog/response-independent-analysis-ehtc-imaging-sgr-miyoshi-et-al-2024
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ đến với mọi người. Hiện tại, anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học tại Đại học Yonsei. Anh cũng tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như "Đài thiên văn hẹn hò", "Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Ngôi sao, khoa học của ánh sáng",...