Lỗ đen được hình dung rõ nhất trong tất cả, như được minh họa trong bộ phim Interstellar, cho thấy một chân trời sự kiện được dự đoán khá chính xác cho một loại lỗ đen xoay rất đặc biệt. Sâu bên trong giếng hấp dẫn, thời gian trôi qua với một tốc độ khác nhau đối với các nhà quan sát so với chúng ta ở bên ngoài nó. Kính thiên văn Event Horizon dự kiến ​​sẽ lần đầu tiên phát hiện ra khí thải xung quanh chân trời sự kiện của lỗ đen. (INTERSTELLAR / R. HURT / CALTECH)

6 câu hỏi lớn trong đêm giao thừa Thông báo lớn của Kính viễn vọng chân trời

Lỗ đen trông như thế nào? Dự đoán lý thuyết của chúng tôi sắp đáp ứng những quan sát đầu tiên của chúng tôi.

Trong khoa học, không có thời điểm nào thú vị hơn khi bạn phải đối mặt với một dự đoán lý thuyết lâu đời với kết quả quan sát hoặc thử nghiệm đầu tiên. Đầu thập kỷ này, Máy Va chạm Hadron Lớn đã tiết lộ sự tồn tại của boson Higgs, hạt cơ bản cuối cùng chưa được khám phá trong Mô hình Chuẩn. Một vài năm trước, sự hợp tác LIGO đã trực tiếp phát hiện ra sóng hấp dẫn, xác nhận một dự đoán lâu dài về Thuyết tương đối rộng của Einstein.

Và chỉ trong vài ngày, vào ngày 10 tháng 4 năm 2019, Kính thiên văn Sự kiện Chân trời sẽ đưa ra một thông báo rất được mong đợi, nơi họ dự kiến ​​sẽ phát hành hình ảnh đầu tiên về chân trời sự kiện của lỗ đen. Vào đầu những năm 2010, một quan sát như vậy sẽ là không thể về mặt công nghệ. Tuy nhiên, không chỉ chúng ta sắp thấy một lỗ đen thực sự trông như thế nào, mà chúng ta còn muốn kiểm tra một số tính chất cơ bản của không gian, thời gian và lực hấp dẫn.

Nếu bạn muốn hình ảnh bất kỳ vật thể nào trong Vũ trụ, bạn phải đáp ứng hai thử thách sau:

  1. Bạn phải thu thập đủ ánh sáng để nhìn thấy mục tiêu của mình và tiết lộ chi tiết của nó chống lại tiếng ồn xung quanh của cả nhạc cụ và các vật thể khác trong vùng lân cận đối tượng bạn quan tâm.
  2. Bạn cần có độ phân giải đủ (hoặc độ phân giải) để hiển thị cấu trúc của đối tượng bạn đang xem, nếu không tất cả dữ liệu của bạn sẽ bị giới hạn ở một pixel.

Vì vậy, nếu bạn muốn hình ảnh chân trời sự kiện của lỗ đen, bạn cần phải thu thập đủ ánh sáng để bức xạ xung quanh lỗ đen nổi bật so với phần còn lại của môi trường và cũng để thăm dò các vảy góc hẹp hơn đường kính của sự kiện chân trời tự.

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 chưa được công bố cho công chúng, nhưng dự kiến ​​chỉ trong vài ngày vào năm 2019. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Cách duy nhất chúng ta có để thực hiện cả hai điều đó là với một loạt các kính viễn vọng vô tuyến cực kỳ nhạy cảm, quan sát các lỗ đen lớn nhất, về kích thước góc, có thể nhìn thấy từ Trái đất. Lỗ đen của bạn càng lớn, đường kính của chân trời sự kiện sẽ càng lớn, nhưng nó sẽ xuất hiện nhỏ hơn tùy thuộc vào khoảng cách của nó. Điều đó có nghĩa là hố đen lớn nhất sẽ là Sagittarius A *, siêu lớn ở trung tâm dải Ngân hà, trong khi lỗ lớn thứ hai sẽ là siêu khối ở trung tâm thiên hà M87, cách xa khoảng 60 triệu năm ánh sáng.

Trong khi các kính viễn vọng vô tuyến một món ăn có thể phát hiện được khí thải từ một trong hai - tức là chúng có đủ năng lượng thu thập ánh sáng - chúng không thể giải quyết được chân trời sự kiện. Nhưng một loạt các kính viễn vọng, tất cả cùng nhau quan sát mục tiêu, có thể đưa chúng ta đến đó.

Một cái nhìn về các kính viễn vọng khác nhau, từ một trong các bán cầu của Trái đất, góp phần vào khả năng chụp ảnh của Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện. Dữ liệu được lấy từ năm 2011 đến 2017 (đặc biệt là vào năm 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)

Các lỗ đen phải được bao quanh bởi vật chất đang trong quá trình bị nuốt chửng. Vật liệu này sẽ bị ném ra bên ngoài lỗ đen, quay xung quanh, nóng lên và phát ra bức xạ khi nó rơi vào. Bức xạ đó sẽ đến trong phần vô tuyến của quang phổ và có thể quan sát được với một mảng kính viễn vọng đủ nhạy.

Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) chính xác là mảng vô tuyến mà chúng ta cần - với những tiến bộ tuyệt vời nhất đến từ việc đưa ALMA vào Nam Mỹ - để không chỉ thu thập thông tin vô tuyến, mà còn có được độ phân giải quá mức đó. EHT bao gồm nhiều điểm của các món ăn riêng lẻ có đủ khả năng thu thập ánh sáng kết hợp để tiết lộ bức xạ xung quanh lỗ đen, với khoảng cách giữa các món ăn cung cấp độ phân giải cần thiết để ghi lại hình ảnh của sự kiện.

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. Việc bổ sung ALMA vào Kính thiên văn Chân trời Sự kiện là điều giúp cho việc xây dựng hình ảnh của chân trời sự kiện là có thể. (ESO / C. MALIN)

Chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật này trước đây, về giao thoa kế cơ bản dài, để tiết lộ các chi tiết sẽ vô hình với ngay cả một kính viễn vọng một món ăn khổng lồ. Miễn là các tính năng bạn cố gắng quan sát đủ sáng và hiển thị trong các kính viễn vọng bạn đang sử dụng để thực hiện các quan sát đồng thời, bạn có thể đạt được độ phân giải hình ảnh tương ứng với khoảng cách giữa các kính thiên văn, thay vì đường kính của các kính thiên văn riêng lẻ.

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)

Một cách ngoạn mục nhất, các mảng kính viễn vọng đã được sử dụng cho đến nay để hình ảnh các núi lửa phun trào trên bề mặt mặt trăng Io của sao Mộc, ngay cả khi Io rơi vào bóng tối của các mặt trăng khác của sao Mộc.

EHT sử dụng khái niệm chính xác này để thăm dò bức xạ đến từ các lỗ đen với đường kính góc lớn nhất khi nhìn từ Trái đất. Dưới đây là sáu điều chúng tôi sẵn sàng học hỏi khi những hình ảnh đầu tiên được phát hành.

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, vào ngày 10 tháng 4 năm 2019, xuất hiện với hình ảnh đầu tiên của họ về chân trời sự kiện của lỗ đen trung tâm này, trong khi cái ở trung tâm của M87, lớn nhất thứ hai, cũng có thể nhìn thấy bằng công nghệ này . Vòng tròn màu trắng đại diện cho bán kính Schwarzschild của lỗ đen, trong khi vùng tối không có sự phát xạ do sự không ổn định của các quỹ đạo xung quanh nó. (UTE KRAUS, NHÓM GIÁO DỤC VẬT LÝ KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; NỀN TẢNG: AXEL MELLinger)

1.) Các lỗ đen có kích thước chính xác mà Thuyết tương đối rộng dự đoán không? Theo lý thuyết của Einstein, dựa trên khối lượng hấp dẫn đo được của lỗ đen của trung tâm Dải Ngân hà, đường chân trời của sự kiện phải có đường kính 11 micro-giây (μas), nhưng sẽ không có phát thải từ trong vòng 37 μas , do thực tế là trong đường kính góc cạnh đó, vật chất sẽ nhanh chóng xoắn ốc theo hướng kỳ dị. Với độ phân giải 15 μas, EHT sẽ có thể nhìn thấy đường chân trời và đo xem kích thước có khớp với dự đoán của chúng tôi hay không. Nó sẽ là một bài kiểm tra tuyệt vời về Thuyết tương đối rộng.

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))

2.) Các đĩa bồi tụ có thẳng hàng với lỗ đen, thiên hà chủ hay ngẫu nhiên không? Chúng tôi chưa bao giờ quan sát thấy một đĩa bồi tụ trước đây và trên thực tế, dấu hiệu thực sự duy nhất chúng tôi có về sự định hướng của vật chất xung quanh các lỗ đen đến từ các trường hợp:

  • có một máy bay phản lực phát ra mà chúng ta có thể phát hiện từ lỗ đen,
  • hoặc có phát thải mở rộng đến từ khu vực xung quanh.

Nhưng không một trong những quan sát đó là sự thay thế cho phép đo trực tiếp. EHT, khi những hình ảnh đầu tiên này xuất hiện, sẽ có thể cho chúng ta biết liệu đĩa bồi tụ là cạnh trên, trực diện hay ở bất kỳ hướng nào khác.

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. (KHOẢN GIẢI PHÁP ĐỘC QUYỀN VÀ ĐỘC QUYỀN CAO CẤP ĐƯỢC KIỂM TRA B ALNG CÁCH BEAMFORMED ALMA, V. FISH ET AL., ARXIV: 1309,3519)

3.) Là chân trời sự kiện của lỗ đen có hình tròn, như dự đoán, hay nó có hình dạng khác không? Mặc dù tất cả các lỗ đen thực tế vật lý dự kiến ​​sẽ quay ở một mức độ nào đó, hình dạng của chân trời sự kiện được dự đoán là không thể phân biệt được với hình cầu hoàn hảo.

Nhưng các hình dạng khác là có thể. Một số vật thể phình ra dọc theo đường xích đạo của chúng khi chúng quay, tạo ra một hình dạng được gọi là hình cầu bắt buộc, chẳng hạn như hành tinh Trái đất. Những người khác leo lên dọc theo trục quay của họ, dẫn đến hình dạng giống như bóng đá được gọi là hình cầu prolate. Nếu Thuyết tương đối rộng là chính xác, một hình cầu là những gì chúng ta dự đoán, nhưng không có sự thay thế nào cho việc quan sát chính chúng ta. Khi những hình ảnh xuất hiện vào ngày 10 tháng 4, chúng ta nên có câu trả lời của mình.

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, nhưng cũng như cách chúng có thể xuất hiện khác nhau một cách chi tiết tùy thuộc vào nhiễu loạn, cường độ từ trường, v.v. (CÁC MÔ TẢ TÌM KIẾM TÌM HIỂU CỦA VỊ TRÍ TUYỆT VỜI CỦA IMR HORIZON L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

4.) Tại sao lỗ đen bùng phát? Khi một lỗ đen ở trạng thái không bùng phát, có những chữ ký cụ thể mà chúng tôi dự đoán sẽ xuất hiện xung quanh chân trời sự kiện. Nhưng sau đó, khi một lỗ đen bùng lên, có những đặc điểm khác nhau mà bức xạ xung quanh nó sẽ thể hiện.

Nhưng những phát thải đó sẽ như thế nào? Sẽ có những tính năng hỗn loạn xuất hiện trong đĩa mọi lúc? Sẽ có những điểm nóng của thành phố, như dự đoán, có thể thấy rõ nhất ở trạng thái bùng phát? Nếu chúng ta gặp may mắn và nhìn thấy một trong những chữ ký này, chúng ta có thể đang trên đường tìm hiểu lý do tại sao các lỗ đen bùng phát, chỉ bằng cách quan sát các phát xạ vô tuyến mở rộng xung quanh chúng. Chúng ta cũng nên tìm hiểu, dựa trên những quan sát này, thông tin bổ sung về cường độ của từ trường xung quanh các lỗ đen này.

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 giải quyết được hoặc không, nhưng nếu Vũ trụ tốt, chúng ta sẽ không chỉ có được hình ảnh mà còn tìm hiểu xem phát xạ tia X có cho chúng ta ước tính khối lượng chính xác cho các lỗ đen hay không. (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)

5.) Các ước tính tia X về khối lượng của lỗ đen có bị lệch về các giá trị thấp hơn không? Hiện tại, có hai cách để suy ra khối lượng của lỗ đen: từ việc đo các tác động hấp dẫn của nó lên các ngôi sao (và các vật thể khác) quay quanh nó và từ sự phát xạ (tia X) của khí quay quanh nó. Chúng ta có thể dễ dàng thực hiện các phép đo dựa trên khí cho hầu hết các lỗ đen, bao gồm một phép đo ở trung tâm Dải Ngân hà, mang lại cho chúng ta khối lượng xấp xỉ 2,5 đùa2,7 triệu khối lượng mặt trời.

Nhưng phép đo hấp dẫn là trực tiếp hơn nhiều, mặc dù là một thách thức quan sát lớn hơn. Tuy nhiên, chúng ta đã thực hiện nó trong thiên hà của chúng ta và đã suy ra một khối lượng xấp xỉ 4 triệu khối lượng mặt trời: cao hơn khoảng 50% so với quan sát tia X cho thấy. Chúng tôi hoàn toàn mong đợi rằng đây sẽ là kích thước của chân trời sự kiện mà chúng tôi đo lường. Nếu các phép đo của M87 cho thấy giá trị cao hơn so với phát xạ tia X cho thấy, chúng ta có thể biết rằng các ước tính tia X thấp một cách có hệ thống, cho chúng ta thấy có vật lý thiên văn mới (nhưng không phải là vật lý cơ bản mới) đang hoạt động.

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 Kính thiên văn Chân trời Sự kiện có thể tăng lên và có thể phát hiện chuyển động của nó theo thời gian. (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK OBSERVATORY / TRUNG TÂM TRUNG TÂM GALACTIC UCLA)

6.) Chúng ta có thể thấy lỗ đen không bị xáo trộn theo thời gian, như dự đoán không? Cái này có thể không xuất hiện ngay lập tức, đặc biệt nếu tất cả những gì chúng ta nhận được từ những quan sát ban đầu này là một hình ảnh của một hoặc hai lỗ đen. Nhưng một trong những mục tiêu khoa học của EHT là quan sát cách các lỗ đen phát triển theo thời gian, nghĩa là họ dự định chụp nhiều hình ảnh vào các thời điểm khác nhau và dựng lại một bộ phim về các lỗ đen này.

Do sự hiện diện của các ngôi sao và các khối lượng khác, vị trí rõ ràng của lỗ đen sẽ thay đổi đáng kể theo thời gian, vì nó bị đẩy mạnh xung quanh. Mặc dù có thể sẽ mất nhiều năm để quan sát một lỗ đen di chuyển với số lượng đáng kể, chúng tôi có dữ liệu được thực hiện trong suốt một thời gian dài. Tại trung tâm của các thiên hà, các lỗ đen được chụp bằng EHT có thể bắt đầu thể hiện các dấu hiệu của sự dao động này: tương đương với vũ trụ của chuyển động Brown.

Lỗ đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà của chúng ta, Sagittarius A *, phát sáng rực rỡ trong tia X bất cứ khi nào vật chất bị nuốt chửng. Trong các bước sóng ánh sáng khác, từ hồng ngoại đến vô tuyến, chúng ta có thể thấy các ngôi sao riêng lẻ trong phần trong cùng của thiên hà này. (X-RAY: NASA / UMASS / D.WANG ET AL., IR: NASA / STSCI)

Các quan sát quan trọng để tạo ra hình ảnh đầu tiên của lỗ đen, giả sử EHT xuất bản một trong những lỗ đen tại trung tâm của Dải Ngân hà, đã được đưa trở lại vào năm 2017: hai năm trước. Phải mất nhiều thời gian để phân tích, dọn dẹp, cắt, điều chỉnh và tổng hợp bộ dữ liệu đầy đủ, tương đương với khoảng 27 petabyte cho việc quan sát quan trọng. (Mặc dù chỉ có khoảng 15% dữ liệu đó có liên quan và có thể sử dụng để xây dựng hình ảnh.)

Vào lúc 9 giờ sáng theo giờ miền Đông (6 giờ sáng theo giờ Thái Bình Dương) vào ngày 10 tháng 4, cộng tác EHT sẽ tổ chức một cuộc họp báo nơi họ dự kiến ​​sẽ phát hành hình ảnh đầu tiên của một chân trời sự kiện và có thể nhiều - hoặc thậm chí là tất cả - những câu hỏi này sẽ được trả lời. Dù kết quả thế nào, đây là một bước tiến vượt bậc cho vật lý và vật lý thiên văn, và mở ra một kỷ nguyên mới của khoa học: các thử nghiệm trực tiếp và hình ảnh của chính chân trời của sự kiện lỗ đen!

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.