Lỗ đen ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta, được mô phỏng ở đây, là lỗ lớn nhất nhìn từ góc nhìn của Trái đất. Kính thiên văn Event Horizon năm nay sẽ xuất hiện với hình ảnh đầu tiên của họ về chân trời sự kiện của lỗ đen trung tâm này trông như thế nào. Vòng tròn màu trắng đại diện cho bán kính Schwarzschild của lỗ đen. (UTE KRAUS, NHÓM GIÁO DỤC VẬT LÝ KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; NỀN TẢNG: AXEL MELLinger)

Sự đột phá về khoa học của năm 2019 sẽ cho chúng ta thấy một sự kiện chân trời của hố đen

Đây sẽ là bài kiểm tra cực đoan nhất về Thuyết tương đối rộng của Einstein từ trước đến nay. Và chúng tôi đã có dữ liệu.

Cứ mỗi năm trôi qua, tổng lượng kiến ​​thức mà nhân loại tích lũy chỉ tăng lên và phát triển. Vào đầu năm 2015, loài người chưa bao giờ phát hiện ra sóng hấp dẫn; hiện tại, chúng tôi đã phát hiện 11 và hoàn toàn mong đợi có thể tìm thấy thêm hàng trăm vào năm 2019. Đầu những năm 1990, chúng tôi không biết liệu có bất kỳ hành tinh nào bên ngoài Hệ Mặt trời của chúng ta hay không; ngày nay, chúng ta có hàng ngàn, một số trong đó gần như đủ tốt để được coi là giống Trái đất.

Chúng tôi đã tìm thấy tất cả các hạt trong Mô hình Chuẩn; chúng tôi đã phát hiện ra rằng Vũ trụ không chỉ mở rộng mà còn tăng tốc; chúng ta đã xác định có bao nhiêu thiên hà trong vũ trụ. Nhưng vào năm tới, một điều mới mẻ và chưa từng có sẽ xảy ra: lần đầu tiên chúng ta sẽ hình dung một chân trời sự kiện của lỗ đen. Dữ liệu đã có trong tay; phần còn lại chỉ là vấn đề thời gian.

Lỗ đen là đối tượng khá dễ phát hiện, một khi bạn biết bạn đang tìm kiếm điều gì. Điều này có vẻ trái ngược, vì chúng không phát ra ánh sáng, nhưng chúng có ba chữ ký chắc chắn cho phép chúng ta biết rằng chúng ở đó.

  1. Các lỗ đen tạo ra một lực hấp dẫn cực lớn - một sự biến dạng / độ cong của không gian - trong một thể tích không gian rất nhỏ. Nếu chúng ta có thể quan sát các tác động hấp dẫn của một khối lớn, nhỏ gọn, chúng ta có thể suy ra sự tồn tại của lỗ đen và có khả năng đo khối lượng của nó.
  2. Lỗ đen ảnh hưởng mạnh đến môi trường xung quanh chúng. Bất kỳ vấn đề nào gần đó, nó sẽ không chỉ trải qua các lực thủy triều mạnh, mà còn tăng tốc và nóng lên, khiến nó phát ra bức xạ từ bên ngoài chân trời sự kiện. Khi chúng ta phát hiện ra bức xạ này, chúng ta có thể tái cấu trúc các thuộc tính của vật thể cung cấp năng lượng cho nó, thường chỉ có thể giải thích được bằng một lỗ đen.
  3. Các lỗ đen có thể truyền cảm hứng và hợp nhất, khiến chúng phát ra sóng hấp dẫn có thể phát hiện được trong một khoảng thời gian ngắn. Điều này chỉ có thể phát hiện với khoa học mới về thiên văn học sóng hấp dẫn.
Máy bay phản lực tia X xa nhất trong Vũ trụ, từ quasar GB 1428, có cùng khoảng cách và tuổi, khi nhìn từ Trái đất, như quasar S5 0014 + 81, nơi có thể là lỗ đen lớn nhất được biết đến trong Vũ trụ. Những người khổng lồ ở xa này được cho là được kích hoạt bởi sự hợp nhất hoặc các tương tác hấp dẫn khác, nhưng chỉ có các lỗ đen với tỷ lệ khối lượng lớn nhất từ ​​xa mà Kính thiên văn Sự kiện sẽ có cơ hội giải quyết. (X-RAY: NASA / CXC / NRC / C.CHEUNG ET AL; QUANG HỌC: NASA / STSCI; RADIO: NSF / NRAO / VLA)

Tuy nhiên, Kính thiên văn Event Horizon nhằm mục đích đi một bước xa hơn bất kỳ phương pháp nào trong số này. Thay vì thực hiện các phép đo cho phép chúng ta suy ra các tính chất của lỗ đen một cách gián tiếp, nó đi thẳng vào trọng tâm của vấn đề và lên kế hoạch hình ảnh trực tiếp chân trời sự kiện của lỗ đen.

Phương pháp để làm như vậy rất đơn giản và dễ hiểu, nhưng không thể thực hiện được từ góc độ công nghệ cho đến gần đây. Lý do tại sao là sự kết hợp của hai yếu tố quan trọng thường đi đôi với nhau trong thiên văn học: độ phân giải và bộ sưu tập ánh sáng.

Bởi vì các lỗ đen là những vật thể nhỏ gọn như vậy, chúng ta phải đi đến độ phân giải cực cao. Nhưng bởi vì chúng ta không chỉ tìm kiếm ánh sáng, mà là không có ánh sáng, chúng ta cần thu thập lượng lớn ánh sáng cực kỳ cẩn thận để xác định bóng của chân trời sự kiện nằm ở đâu.

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. ('HÃY KIẾM HORIZON SỰ KIỆN - LỚP ĐEN SIÊU HẤP DẪN Ở TRUNG TÂM GALACTIC', LỚP. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))

Thông thường, một kính thiên văn có độ phân giải tốt hơn và kính viễn vọng có khả năng thu thập ánh sáng tốt hơn nên là cùng một kính thiên văn. Độ phân giải của kính thiên văn của bạn được xác định bằng số bước sóng ánh sáng phù hợp với món ăn của kính viễn vọng của bạn, vì vậy kính viễn vọng lớn hơn có độ phân giải cao hơn.

Với cùng một mã thông báo, lượng ánh sáng bạn có thể thu thập được xác định theo khu vực của kính viễn vọng của bạn. Bất kỳ photon nào đập vào kính viễn vọng sẽ được thu thập, vì vậy diện tích kính viễn vọng của bạn càng lớn, bạn càng thu được nhiều ánh sáng.

Lý do công nghệ là một yếu tố hạn chế là độ phân giải. Kích thước mà một lỗ đen dường như tỷ lệ thuận với khối lượng của nó, nhưng tỷ lệ nghịch với khoảng cách của nó với chúng ta. Để nhìn thấy lỗ đen lớn nhất từ ​​góc nhìn của chúng ta - Sagittarius A *, một lỗ ở trung tâm Dải Ngân hà - cần một kính viễn vọng có kích thước xấp xỉ hành tinh Trái đất.

Một loạt các ngôi sao lớn đã được phát hiện gần lỗ đen siêu lớn ở lõi của Dải Ngân hà. Ngoài những ngôi sao này và khí và bụi mà chúng ta tìm thấy, chúng tôi dự đoán sẽ có tới 10.000 lỗ đen chỉ trong vài năm ánh sáng của Nhân Mã A *, nhưng việc phát hiện ra chúng đã tỏ ra khó nắm bắt cho đến đầu năm 2018. Giải quyết lỗ đen trung tâm là một nhiệm vụ mà chỉ có Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện mới có thể tăng lên. (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK OBSERVATORY / NHÓM TRUNG TÂM GALACTIC TRUNG TÂM)

Rõ ràng chúng ta không có tài nguyên có khả năng chế tạo một thiết bị như vậy! Nhưng chúng ta có điều tốt nhất tiếp theo: khả năng xây dựng một loạt các kính thiên văn. Khi bạn có một loạt các kính thiên văn, bạn chỉ có được sức mạnh thu thập ánh sáng của các kính thiên văn riêng lẻ được tổng hợp lại với nhau. Nhưng độ phân giải, nếu nó được thực hiện đúng, sẽ cho phép bạn nhìn thấy các vật thể tốt như khoảng cách giữa các kính viễn vọng xa nhất.

Nói cách khác, việc thu thập ánh sáng thực sự bị giới hạn bởi kích thước kính viễn vọng. Nhưng độ phân giải, nếu chúng ta sử dụng kỹ thuật giao thoa kế cơ sở dài (hoặc anh em họ của nó, giao thoa kế cơ sở rất dài), có thể được cải thiện rất nhiều bằng cách sử dụng một loạt các kính viễn vọng với khoảng không gian lớn giữa chúng.

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 từ năm 2011 đến 2017 sẽ cho phép chúng ta xây dựng hình ảnh của Nhân Mã A * và có thể là lỗ đen ở trung tâm của M87. (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT / JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO / C. MALIN)

Kính thiên văn Event Horizon là một mạng lưới gồm 15 kính viễn vọng202020 nằm trên nhiều lục địa khác nhau trên Trái đất, từ Nam Cực đến Châu Âu, Nam Mỹ, Châu Phi, Bắc Mỹ, Úc và một số đảo ở Thái Bình Dương. Tất cả đã nói, lên tới 12.000 km ngăn cách các kính viễn vọng xa nhất là một phần của mảng.

Điều này chuyển thành độ phân giải nhỏ tới 15 microarcs giây (μas), đó là con ruồi nhỏ sẽ xuất hiện với chúng ta ở đây trên Trái đất như thế nào nếu nó nằm cách xa 400.000 km: trên Mặt trăng.

Lỗ đen lớn thứ hai khi nhìn từ Trái đất, lỗ ở trung tâm của thiên hà M87, được hiển thị trong ba chế độ xem tại đây. Mặc dù có khối lượng 6,6 tỷ Mặt trời, nhưng nó xa hơn 2000 lần so với Nhân Mã A *. EHT có thể hoặc không thể giải quyết được, nhưng nếu Vũ trụ tốt, chúng ta sẽ có được một hình ảnh. (TOP, QUANG HỌC, ĐIỆN THOẠI KHÔNG GIAN / NASA / WIKISKY; LOWER LEFT, RADIO, NRAO / RẤT LỚN ARRAY (VLA); LOWER RIGHT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

Dĩ nhiên, có thể không có con ruồi nào trên Mặt trăng, nhưng có những lỗ đen ngoài vũ trụ với kích thước góc lớn hơn 15 μas. Thực tế, có hai người trong số họ: Nhân Mã A * ở trung tâm Dải Ngân hà và hố đen ở trung tâm của M87. Hố đen ở trung tâm M87 nằm cách xa 506060 triệu năm ánh sáng, nhưng có khối lượng mặt trời hơn 6 tỷ, khiến nó lớn hơn lỗ đen khổng lồ của thiên hà chúng ta hơn 1.000 lần.

Kính thiên văn Event Horizon hoạt động bằng cách lấy một loạt các kính viễn vọng vô tuyến khổng lồ này và quan sát đồng thời các lỗ đen này, cho phép chúng ta tái tạo một hình ảnh có độ phân giải cực cao của bất cứ thứ gì chúng ta đang nhìn, miễn là có đủ ánh sáng thu được để nhìn thấy nó . Khái niệm này đã được chứng minh trước đây với một loạt các đài quan sát, chẳng hạn như Kính thiên văn hai mắt lớn, có thể chụp ảnh núi lửa phun trào trên mặt trăng của Sao Mộc, Io, trong khi nó bị che khuất bởi các mặt trăng khác của Sao Mộc!

Sự huyền bí của mặt trăng của sao Mộc, Io, với những ngọn núi lửa đang phun trào Loki và Pele, như được che giấu bởi Europa, thứ vô hình trong hình ảnh hồng ngoại này. GMT sẽ cung cấp độ phân giải và hình ảnh được tăng cường đáng kể. (LBTO)

Sau đó, chìa khóa để làm cho Kính thiên văn Sự kiện Chân trời hoạt động là đảm bảo chúng ta thu thập đủ ánh sáng để nhìn thấy bóng đổ do chân trời sự kiện của lỗ đen, đồng thời chụp thành công ánh sáng từ xung quanh và đằng sau nó. Các lỗ đen tăng tốc vật chất, hãy nhớ và sự gia tốc của các hạt tích điện đều tạo ra từ trường và - nếu các hạt tích điện tăng tốc khi có từ trường - sự phát xạ của bức xạ.

Đặt cược an toàn nhất là tìm trong phần vô tuyến của phổ, phần năng lượng thấp nhất. Tất cả các lỗ đen tăng tốc vật chất dự kiến ​​sẽ phát ra sóng vô tuyến và chúng tôi đã nhìn thấy chúng từ cả trung tâm Dải Ngân hà và từ trung tâm của M87. Sự khác biệt là, ở những độ phân giải cao, mới này, chúng ta sẽ có thể phát hiện ra khoảng trống void, nơi chân trời sự kiện nằm.

Atacama Large Millimét / Subillimetre Array, như được chụp với những đám mây Magellanic trên cao. Một số lượng lớn các món ăn gần nhau, như một phần của ALMA, giúp tạo ra nhiều hình ảnh chi tiết nhất trong các khu vực, trong khi một số lượng nhỏ hơn các món ăn xa hơn giúp tìm hiểu chi tiết ở những vị trí sáng nhất. (ESO / C. MALIN)

Cuộc cách mạng công nghệ sẽ cho phép những hình ảnh này được xây dựng là ALMA *: Atacama Large Millimét / Submillim Array. Một mạng lưới đáng kinh ngạc gồm 66 kính viễn vọng vô tuyến, tất cả chúng đều rất lớn (xem ở trên), đo ánh sáng bước sóng dài này để tiết lộ các chi tiết thiên văn hơn bao giờ hết. ALMA đã cho chúng ta thấy hình ảnh của các đĩa bụi xung quanh các ngôi sao mới hình thành, với bằng chứng cho các hành tinh sơ sinh (như những khoảng trống giống như vòng trong đĩa) hình thành bên trong. ALMA có thể hình ảnh các thiên hà cực xa theo kiểu vượt trội so với những gì mà ngay cả Hubble có thể tiết lộ, và đã tìm thấy các chữ ký khí phân tử và các phép quay bên trong.

Nhưng có lẽ món quà khoa học lớn nhất của nó sẽ là tất cả thông tin mà nó thu thập được từ ánh sáng xung quanh những hố đen siêu lớn này. Viết đủ dữ liệu (và đúng loại), đủ nhanh, và sau đó đưa chúng lại với nhau với sức mạnh tính toán đủ để phân tích chúng, chỉ là lần đầu tiên, lần đầu tiên, có thể.

Hai trong số các mô hình có thể có thể phù hợp thành công với dữ liệu Kính viễn vọng Chân trời cho đến nay, kể từ đầu năm 2018. Cả hai đều cho thấy một chân trời sự kiện không đối xứng nằm ngoài bán kính so với bán kính Schwarzschild, phù hợp với dự đoán của Thuyết tương đối rộng của Einstein. Một hình ảnh đầy đủ vẫn chưa được công bố cho công chúng. (R.-LU LU AL AL, APJ 859, 1)

Vậy năm 2019 sẽ mang lại điều gì, khi tất cả 27 Petabyte dữ liệu (từ tất cả các đài quan sát khác nhau đang xem các lỗ đen này), đã được mang lại với nhau, được phân tích đầy đủ? Liệu chân trời sự kiện sẽ xuất hiện như dự đoán tương đối rộng? 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,
  • hoặc liệu có bất kỳ sai lệch nào khác từ hành vi dự kiến.
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. (CÁC MÔ PHỎNG CỦA GRMHD TẦM NHÌN SỨC KHỎE TUYỆT VỜI CHO SỰ KIỆN HÌNH ẢNH HORIZON ĐIỆN THOẠI CỦA SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

Mặc dù nhóm Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện đã phát hiện cấu trúc xung quanh lỗ đen ở trung tâm thiên hà của chúng ta, chúng ta vẫn không có hình ảnh trực tiếp. Điều này đòi hỏi phải hiểu bầu không khí của chúng ta và những thay đổi xảy ra trong đó, kết hợp dữ liệu và viết các thuật toán mới để hợp tác xử lý chúng. Đó là một công việc đang tiến triển, nhưng nửa đầu năm 2019 là khi cuối cùng, những hình ảnh đầu tiên phải đến. Một số người trong chúng ta đã hy vọng cho những hình ảnh trong năm nay hoặc thậm chí năm ngoái, nhưng điều quan trọng nhất là chúng ta dành thời gian và sự quan tâm để làm cho nó đúng.

Khi những hình ảnh này cuối cùng cũng xuất hiện, sẽ không còn nghi ngờ gì nữa về việc liệu các lỗ đen có tồn tại hay không và liệu chúng có tồn tại với các tính chất mà lý thuyết vĩ đại nhất của Einstein dự đoán hay không. Năm 2019 sẽ là năm của chân trời sự kiện và lần đầu tiên trong tất cả lịch sử, cuối cùng chúng ta sẽ biết, kết luận, chúng trông như thế nào.

* - Tiết lộ đầy đủ: tác giả sẽ dẫn đầu một chuyến tham quan không gian giới hạn tới Chile, bao gồm chuyến thăm ALMA, công cụ mảng kính viễn vọng trong việc thu thập dữ liệu cho hình ảnh này, vào tháng 11 năm 2019. (Không gian vẫn có sẵn.) bồi thường bên ngoài cho phần này.

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.