Lỗ đen, như được minh họa trong bộ phim Interstellar, cho thấy một chân trời sự kiện khá chính xác cho một lớp lỗ đen xoay rất đặc biệt. Tín dụng hình ảnh: Interstellar / R. Hurt / Caltech.

Năm 2018 sẽ là năm nhân loại trực tiếp 'nhìn thấy' hố đen đầu tiên của chúng tôi

Kính thiên văn Event Horizon đã trực tuyến và lấy dữ liệu của nó. Bây giờ, chúng tôi chờ kết quả.

Lỗ đen là một số vật thể đáng kinh ngạc nhất trong Vũ trụ. Có những nơi tập trung rất nhiều khối lượng nhỏ đến mức các hạt vật chất riêng lẻ không thể tồn tại như bình thường, và thay vào đó sụp đổ xuống một điểm kỳ dị. Bao quanh điểm kỳ dị này là một khu vực giống như hình cầu được gọi là chân trời sự kiện, từ bên trong không có gì có thể thoát ra, ngay cả khi nó di chuyển với tốc độ tối đa của Vũ trụ: tốc độ ánh sáng. Mặc dù chúng tôi biết ba cách riêng biệt để tạo thành các lỗ đen và đã phát hiện ra bằng chứng cho hàng ngàn người trong số họ, chúng tôi chưa bao giờ chụp ảnh trực tiếp. Bất chấp tất cả những gì chúng tôi đã khám phá, chúng tôi chưa bao giờ thấy chân trời sự kiện của lỗ đen, hoặc thậm chí xác nhận rằng họ thực sự có một. Năm tới, tất cả sẽ thay đổi, vì những kết quả đầu tiên từ Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện sẽ được tiết lộ, trả lời một trong những câu hỏi dài nhất trong vật lý thiên văn.

Vị trí của các đĩa radio được lên kế hoạch là một phần của mảng Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện. Tín dụng hình ảnh: Kính viễn vọng chân trời / Đại học Arizona.

Ý tưởng về lỗ đen không có gì mới, vì các nhà khoa học đã nhận ra trong nhiều thế kỷ rằng khi bạn tập hợp nhiều khối lượng hơn vào một thể tích nhất định, bạn phải di chuyển với tốc độ nhanh hơn và nhanh hơn để thoát khỏi giếng hấp dẫn mà nó tạo ra. Vì có tốc độ tối đa mà bất kỳ tín hiệu nào có thể truyền tới - tốc độ ánh sáng - bạn sẽ đạt đến điểm mà bất cứ thứ gì từ bên trong vùng đó bị giữ lại. Vật chất bên trong sẽ cố gắng tự chống lại sự sụp đổ của lực hấp dẫn, nhưng bất kỳ hạt mang lực nào mà nó cố gắng phát ra đều bị bẻ cong về phía điểm kỳ dị trung tâm; không có cách nào để thúc đẩy ra bên ngoài. Kết quả là, một điểm kỳ dị là không thể tránh khỏi, được bao quanh bởi một chân trời sự kiện. Bất cứ điều gì rơi vào chân trời sự kiện? Cũng bị mắc kẹt; từ bên trong chân trời sự kiện, tất cả các con đường dẫn đến điểm kỳ dị trung tâm.

Một minh họa về một lỗ đen đang hoạt động, một lỗ tích tụ vật chất và tăng tốc một phần của nó ra ngoài trong hai tia nước vuông góc, có thể mô tả lỗ đen ở trung tâm thiên hà của chúng ta theo nhiều khía cạnh. Tín dụng hình ảnh: Mark A. Garlick.

Thực tế, có ba cơ chế mà chúng ta biết để tạo ra các lỗ đen vật lý thực tế.

  1. Khi một ngôi sao đủ lớn đốt cháy nhiên liệu của nó và đi siêu tân tinh, lõi trung tâm có thể nổ tung, biến một mảnh đáng kể của ngôi sao tiền siêu tân tinh thành một lỗ đen.
  2. Khi hai ngôi sao neutron hợp nhất, nếu khối lượng sau hợp nhất của chúng lớn hơn khoảng 2,5 đến 2,75 khối lượng mặt trời, nó sẽ dẫn đến việc tạo ra một lỗ đen.
  3. Và nếu một ngôi sao lớn hoặc một đám mây khí có thể trải qua sự sụp đổ trực tiếp, thì nó cũng sẽ tạo ra một lỗ đen, nơi 100% khối lượng ban đầu đi vào lỗ đen cuối cùng.
Tác phẩm nghệ thuật minh họa một vòng tròn màu đen đơn giản, có lẽ với một vòng tròn xung quanh nó, là một bức tranh đơn giản về hình ảnh của một chân trời sự kiện. Tín dụng hình ảnh: Victor de Schwanberg.

Theo thời gian, các lỗ đen có thể tiếp tục nuốt chửng vật chất, phát triển cả về khối lượng và kích thước tương xứng. Nếu bạn nhân đôi khối lượng của lỗ đen, bán kính của nó cũng tăng gấp đôi. Nếu bạn tăng gấp mười lần, bán kính cũng tăng theo hệ số mười. Điều này có nghĩa là khi bạn tăng lên hàng loạt - khi lỗ đen của bạn phát triển - chân trời sự kiện của nó ngày càng lớn hơn. Vì không có gì có thể thoát khỏi nó, nên chân trời sự kiện sẽ xuất hiện dưới dạng một lỗ đen đen trong không gian, chặn ánh sáng từ tất cả các vật thể phía sau nó, kết hợp với sự bẻ cong ánh sáng do dự đoán của Thuyết tương đối rộng. Tất cả đã nói, chúng tôi hy vọng chân trời sự kiện sẽ xuất hiện, theo quan điểm của chúng tôi, lớn hơn 250% so với dự đoán hàng loạt sẽ ngụ ý.

Một lỗ đen không chỉ là một khối được đặt chồng lên trên một nền bị cô lập, mà sẽ thể hiện các hiệu ứng hấp dẫn kéo dài, phóng đại và làm biến dạng ánh sáng nền do thấu kính hấp dẫn. Tín dụng hình ảnh: Ute Kraus, nhóm giáo dục Vật lý Kraus, Đại học Hildesheim; Axel Mellinger (nền).

Nếu tính tất cả những điều này, chúng ta có thể xem xét tất cả các lỗ đen đã biết, bao gồm cả khối lượng của chúng và khoảng cách của chúng, và tính toán cái nào sẽ xuất hiện lớn nhất từ ​​Trái đất. Người chiến thắng? Sagittarius A *, lỗ đen ở trung tâm thiên hà của chúng ta. Các thuộc tính kết hợp của nó là chỉ cách xa 27.000 năm ánh sáng trong khi vẫn đạt được khối lượng lớn ngoạn mục gấp 4.000.000 lần so với Mặt trời khiến nó trở thành số 1. Điều thú vị là lỗ đen chạm # 2 là lỗ đen trung tâm của M87: thiên hà lớn nhất trong cụm Xử Nữ. Mặc dù nó có khối lượng hơn 6 tỷ khối lượng mặt trời, nhưng nó nằm cách xa 50 dặm60 triệu năm ánh sáng. Nếu bạn muốn nhìn thấy một chân trời sự kiện, trung tâm thiên hà của chúng ta là nơi để tìm kiếm.

Một số tín hiệu cấu hình có thể có của chân trời sự kiện của lỗ đen như mô phỏng của Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện chỉ ra. Tín dụng hình ảnh: Khoa học có độ phân giải cao và độ nhạy cao được kích hoạt bởi ALMA dạng tia, V. Fish và cộng sự, arXiv: 1309,3519.

Nếu bạn có một chiếc kính thiên văn có kích thước bằng Trái đất và không có gì ở giữa chúng ta và lỗ đen để chặn ánh sáng, bạn sẽ có thể nhìn thấy nó, không vấn đề gì. Một số bước sóng tương đối trong suốt đối với vật chất thiên hà can thiệp, vì vậy nếu bạn nhìn vào ánh sáng bước sóng dài, giống như sóng vô tuyến, bạn có thể thấy chính chân trời sự kiện. Bây giờ, chúng ta không có kính viễn vọng kích thước Trái đất, nhưng chúng ta có một loạt các kính viễn vọng vô tuyến trên toàn cầu và các kỹ thuật kết hợp dữ liệu này để tạo ra một hình ảnh duy nhất. Kính thiên văn Event Horizon kết hợp tốt nhất công nghệ hiện tại của chúng tôi và sẽ cho phép chúng tôi nhìn thấy lỗ đen đầu tiên của mình.

Một cái nhìn về các kính thiên văn khác nhau góp phần vào khả năng chụp ảnh của Kính viễn vọng Chân trời từ một trong các bán cầu của Trái đất. Dữ liệu được lấy vào tháng Tư sẽ cho phép phát hiện (hoặc không phát hiện) một chân trời sự kiện xung quanh Nhân Mã A * trong năm tới. Tín dụng hình ảnh: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT / JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO / C. Malin.

Thay vì một kính thiên văn duy nhất, các kính thiên văn vô tuyến 15 đến 20 được dàn trận trên toàn cầu, đồng thời quan sát cùng một mục tiêu. Với khoảng cách lên tới 12.000 km cách xa các kính viễn vọng xa nhất, các vật thể nhỏ tới 15 microarcs giây (μas) có thể được giải quyết: kích thước của một con ruồi trên Mặt trăng. Với khối lượng và khoảng cách của Nhân Mã A *, chúng tôi hy vọng rằng nó sẽ xuất hiện lớn hơn gấp đôi so với con số đó: 37 μas. Ở tần số vô tuyến, chúng ta sẽ thấy rất nhiều hạt tích điện được gia tốc bởi lỗ đen, nhưng cần phải có một khoảng trống trống, nơi chân trời sự kiện nằm. Nếu chúng ta có thể kết hợp dữ liệu một cách chính xác, chúng ta sẽ có thể xây dựng hình ảnh của một lỗ đen lần đầu tiên.

Năm mô phỏng khác nhau trong thuyết tương đối rộng, sử dụng mô hình từ tính của đĩa bồi tụ của lỗ đen và kết quả là tín hiệu vô tuyến sẽ trông như thế nào. Lưu ý chữ ký rõ ràng của chân trời sự kiện trong tất cả các kết quả dự kiến. Tín dụng hình ảnh: Mô phỏng GRMHD về độ biến thiên biên độ hiển thị cho hình ảnh Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện của Sgr A *, L. Medeiros và cộng sự, arXiv: 1601.06799.

Các kính viễn vọng bao gồm Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện đã thực hiện phát bắn đầu tiên của họ khi quan sát Nhân Mã A * vào năm ngoái. Dữ liệu đã được kết hợp với nhau và hiện đang được chuẩn bị và phân tích. Nếu mọi thứ hoạt động như thiết kế, chúng ta sẽ có hình ảnh đầu tiên vào năm 2018. Nó sẽ xuất hiện dưới dạng dự đoán Thuyết tương đối rộng chứ? Có một số điều đáng kinh ngạc để kiểm tra:

  • lỗ đen có đúng kích cỡ như dự đoán của thuyết tương đối rộng hay không,
  • cho dù chân trời sự kiện là hình tròn (như dự đoán), hoặc thay thế hoặc tăng sinh thay thế,
  • liệu phát xạ vô tuyến có mở rộng ra xa hơn chúng ta nghĩ hay không
  • cho dù có bất kỳ sai lệch khác từ hành vi dự kiến.
Sự định hướng của đĩa bồi tụ là mặt trên (hai tấm bên trái) hoặc cạnh trên (hai tấm bên phải) có thể thay đổi lớn cách thức lỗ đen xuất hiện với chúng ta. Tín dụng hình ảnh: 'Hướng tới chân trời sự kiện - lỗ đen siêu lớn trong Trung tâm Thiên hà', Class. Graum Grav., Falcke & Markoff (2013).

Bất cứ điều gì chúng ta làm (hoặc không) kết thúc việc khám phá, chúng ta đã sẵn sàng tạo ra một bước đột phá đáng kinh ngạc chỉ bằng cách xây dựng hình ảnh đầu tiên của chúng ta về một lỗ đen. Chúng ta sẽ không còn cần phải dựa vào các mô phỏng hoặc quan niệm của nghệ sĩ; chúng ta sẽ có bức ảnh dựa trên dữ liệu thực tế đầu tiên để làm việc. Nếu thành công, nó sẽ mở đường cho các nghiên cứu cơ bản dài hơn; với một loạt các kính viễn vọng vô tuyến trong không gian, chúng ta có thể mở rộng phạm vi từ một lỗ đen đến hàng trăm trong số chúng. Nếu năm 2016 là năm của sóng hấp dẫn và năm 2017 là năm của sự hợp nhất sao neutron, thì năm 2018 được thiết lập là năm của chân trời sự kiện. Đối với bất kỳ người hâm mộ vật lý thiên văn, lỗ đen và Thuyết tương đối rộng, chúng ta đang sống trong thời đại hoàng kim. Những gì đã từng được coi là không thể tin được, đã đột nhiên trở thành hiện thực.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.