Năm 1919, đoàn thám hiểm Eddington nổi tiếng thời bấy giờ
đã mạo hiểm xem liệu lực hấp dẫn có thể bẻ cong ánh sáng
-- một thí nghiệm lớn thử nghiệm thuyết tương đối rộng của Einstein.
Bằng cách quan sát sự kiện nhật thực toàn phần,
Kết quả đã cho thấy Mặt Trời đã làm lệch hướng ánh sáng sao đúng như dự đoán
-- làm cho Einstein và thuyết tương đối rộng của ông nổi tiếng toàn thế giới.
Hiện tại, sau 100 năm, các nhà khoa học quyết định thử nghiệm lần nữa,
đến nhiều vùng đất xa hơn trên khắp bốn lục địa.
Một lần nữa, họ sẽ đẩy giới hạn của kiến ​​thức thiên văn học xa hơn,
cùng kiểm tra thuyết tương đối rộng theo cách Einstein không bao giờ có thể tưởng tượng được.
Mục tiêu của họ: chụp ảnh của một lỗ đen, một mục tiêu đầy tham vọng đến mức dường như là không thể ...
cho đến tận bây giờ!
DƯỚI CÁI BÓNG CỦA LỖ ĐEN
Câu chuyện của lỗ đen bắt đầu từ một mảnh ghép.
Năm 1915, Karl Schwarzschild nhận thấy thuyết tương đối tổng quát mới công bố của Einstein
dự đoán về sự tồn tại của vật thể lạ được biết đến với tên gọi là "điểm kì dị".
Chúng là nơi các phương trình mới của ông mô tả lực hấp dẫn dường như chuyển động loạn xạ.
Bên trong chúng là một nơi kỳ quái, với thời gian ngừng trôi và không gian trở nên vô tận...
Vào thời điểm đó, nhiều nhà khoa học, kể cả Einstein,
cho rằng chúng quá kì quái, không đáng tin cậy để nghiên cứu một cách nghiêm túc.
Tuy vậy, sau hơn 100 năm kể từ đó
liên tiếp có nhiều bằng chứng cho thấy điểm kỳ dị có tồn tại trong Vũ Trụ của chúng ta...
...đó chính là lỗ đen.
Lỗ đen là vật thể bí ẩn nhất trong Vũ Trụ.
Đó là nơi vật chất bị nén lại tại một không gian nhỏ và đậm đặc
đến nỗi lực hấp dẫn không cho ánh sáng thoát ra ngoài.
Đó là cánh cửa một chiều từ Vũ Trụ của chúng ta.
Ta biết chúng trú ngụ tại tâm của nhiều thiên hà.
chúng điều khiển quá trình sống, chết của những thiên hà đó, chúng nuốt chửng khí và sao.
Vật thể cực kỳ khó hiểu và bí ẩn này
đứng giữa ranh giới của hai thuyết vật lý vĩ đại:
thuyết tương đối rộng, mô tả lực hấp dẫn,
và cơ học lượng tử, mô tả những thứ nhỏ nhất trong thế giới vật chất.
Nếu bạn muốn thực hiện một thử nghiệm về những thuyết cơ bản nhất của Vũ Trụ
thì bạn phải đến phòng thí nghiệm mạnh nhất trong Vũ Trụ
và nơi đó chính là lỗ đen.
Nhưng để quan sát được phòng thí nghiệm cực mạnh này, đòi hỏi phải có một thiết bị cực mạnh.
Lực hấp dẫn cực lớn của lỗ đen chính là trở ngại trong việc trực tiếp quan sát chúng.
Ánh sáng không thể nào thoát ra được và chúng rất nhỏ --
nghiền nát một lượng lớn vật chất vào điểm nhỏ của màn đêm.
Ngay cả khi sự tồn tại của vật thể kì bí này dần được chấp nhận rộng rãi,
quan sát chúng một cách trực tiếp vẫn còn là một giấc mơ xa vời.
Thực tế, để có được độ phân giải cần thiết để trực tiếp quan sát lỗ đen,
ta phải dùng một chiếc kính thiên văn đơn lẻ có kích thước to bằng Trái Đất
-- rõ ràng là quá lớn để có thể thực hiện.
Thay vào đó,
các nhà thiên văn học đã dành hàng thập kỷ nghiên cứu những ảnh hưởng của lỗ đen
tác động lên vật chất xung quanh chúng.
Nhưng niềm mong ước có được bằng chứng cụ thể hơn về vật thể hấp dẫn này
lại quá cuốn hút thay vì giản đơn chôn vùi chúng trong quên lãng.
Chúng ta đều biết từ quan điểm toán học, lỗ đen có tồn tại.
nhưng để thực sự thấy được một thứ như vậy là một trải nghiệm rất cuốn hút
và tôi nghĩ đây là điều quan trọng với giới khoa học và cũng là để chúng tôi tin vào sự tồn tại của nó.
Vào cuối thập niên 1960, một kỹ thuật mới đã thay đổi ngành thiên văn học.
Được gọi là kỹ thuật giao thoa với đường cơ sở rất dài,
cho phép một số kính thiên văn hợp thành một đội để quan sát
-- tạo thành một chiếc kính thiên văn "ảo" lớn hơn,
khắc phục nhiều hạn chế về kích thước của kính thiên văn.
Khi phương pháp này được sử dụng rộng rãi,
việc trực tiếp chụp ảnh của một lỗ đen là một điều hoàn toàn có thể.
Vào năm 2009, dự án Kính thiên văn Chân trời Sự Kiện, EHT, ra đời.
-- để theo đuổi mục tiêu đầy hào hứng này.
Kính thiên văn Chân trời Sự kiện là sự hợp tác của nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới
từ nhiều quốc gia, châu lục và nhiều viện nghiên cứu khác nhau
để hợp thành một chiếc kính thiên văn lớn bằng Trái Đất, mang đến cho chúng ta độ phân giải cao nhất
và đây là điều hoàn toàn có thể thực hiện được với bất kì loại kính thiên văn vô tuyến nào.
Rõ ràng, ngay từ đầu EHT sẽ phải đối mặt với nhiều trở ngại lớn.
Nhưng "có thấy thì mới có tin", và đội quan sát đã làm việc cực lực để mang đến bức ảnh đầu tiên của lỗ đen.
Để thực hiện, 8 kính thiên văn trên khắp thế giới đã được liên kết với nhau.
ESO đóng vai trò quan trọng với 2 trong số các kính thiên văn của dự án này,
cả hai đều nằm tại Cao nguyên Chajnantor ở Chile:
Tổ hợp Lớn quan sát sóng Mi-li-met/Hạ Mi-li-met Atacama --ALMA--
và kính thiên văn Thử nghiệm Phương pháp quan sát mới Atacama, được biết đến với tên là APEX.
số kính thiên văn khác tạo thành tổ hợp EHT
gồm có kính thiên văn IRAM 30 mét tại Tây Ban Nha,
Kính thiên văn Lớn quan sát sóng Mi-li-mét tọa lạc tại Mexico,
Kính thiên văn quan sát sóng Hạ mi-li-mét ở Arizona,
Kính thiên văn James Clerk Maxwell
và Tổ hợp kính thiên văn quan sát sóng Hạ mi-li-mét, cả 2 đều nằm tại Hawaii
và cuối cùng là Kính thiên văn Cực Nam ở châu Nam Cực.
Cùng nhau,
chúng có độ phân giải tương đương việc đọc một tờ báo ở Paris trong khi ta đang ngồi tại New York.
Những thách thức to lớn của dự án sớm trở nên hiện hữu.
Các kính thiên văn,
tất cả thiết bị công nghệ cao của riêng chúng, không được chế tạo để hoạt động cùng nhau.
Để biến chúng hợp thành một cỗ máy giao thoa liên kết nhau đòi hỏi phải có một dàn đội ngũ khổng lồ.
Đội ngũ chúng tôi gồm kỹ sư, quan sát viên, nhà lý thuyết và tất cả làm việc cùng nhau,
không chỉ để chụp ảnh chân trời sự kiện của lỗ đen, mà còn để hiểu rõ về những gì ta đang thấy.
Dự án quy tụ với hơn 200 nhà khoa học đến từ hơn 100 viện nghiên cứu,
tất cả bọn họ phải tự xoay sở mọi thứ để xây dựng tổ chức hoàn toàn mới này.
Phối hợp một đội ngũ khổng lồ trải rộng trên khắp hành tinh chỉ là một trong số ít thử thách họ gặp phải.
Với một dự án đặt ra nhiều tiêu chí mới mẻ thử thách sự khéo léo của con người,
có cả một loạt sự cố trên khắp phạm vi của dự án.
Và, hết lần này đến lần khác, họ đã không tránh khỏi...
Lỗi thiết bị ...
Mất điện...
Không đủ ổ cứng để lưu trữ dữ liệu ...
Dù bạn có tin hay không,
có một lần trong lúc quan sát đã có nhiều tranh cãi nảy lửa giữa một số nhà khoa học ...
Chẳng mấy chốc, dự án đã lâm vào tình thế hết sức khó khăn ...
Vị trí của tám kính thiên văn này cũng là một thử thách lớn không kém.
Môi trường tốt nhất cho việc quan sát bầu trời
thường nằm ở nhiều nơi hết sức khó khăn trong việc xây dựng các đài thiên văn.
Tổ hợp kính thiên văn của EHT cũng không phải là trường hợp ngoại lệ.
Chúng tọa lạc tại nhiều vùng đất hẻo lánh, rải rác khắp 4 châu lục.
bao gồm hai đài quan sát vô tuyến ở sa mạc Atacama khô cằn tại Chile,
nằm trên một cao nguyên đóng băng ở Nam Cực
và trên đỉnh của một ngọn núi lửa đã không còn hoạt động ở Hawaii.
Tất cả kính thiên văn trên nằm cách xa đời sống của chúng ta,
nơi ánh sáng đô thị không làm ô nhiễm bầu trời đêm.
Nhưng, đối với các nhà thiên văn học mạo hiểm đến đây để thu thập dữ liệu,
một trong số rắc rối nhỏ nhất họ gặp phải chính là sự cô độc.
Địa điểm càng khô ráo, càng cao thì việc quan sát càng lý tưởng
để tránh hơi nước từ bầu khí quyển cản trở ánh sáng từ thiên thể.
ALMA và APEX tọa lạc tại Cao nguyên Chajnantor,
ở độ cao 5000 mét trong vùng Sa mạc Atacama cằn cỗi tại Chile,
một nơi khắc nghiệt đến nỗi trở thành bãi thử nghiệm dành cho những chiếc xe tự hành trên Sao Hỏa.
Nhân viên làm việc ở đây phải sử dụng bình oxy vì không khí quá loãng để thở.
Hiểm nguy từ chứng sợ độ cao
cũng được san sẻ bởi nhiều nhà quan sát tại Kính thiên văn James Clerk Maxwell
và tại Tổ hợp Hạ Mi-li-met nằm gần đỉnh núi lửa Mauna Kea đã tắt.
Ở vị trí tiếp xúc cao trên mực nước biển này,
Các nhà thiên văn học có nguy cơ bị mất nước nghiêm trọng và say nắng.
Ở cực đối diện của thang đo nhiệt độ,
quan sát viên ở Kính thiên văn Cực Nam tại châu Nam Cực
đã phải chịu đựng mức nhiệt độ dưới 0 trong khoảng thời gian dài.
Ở đây có nhiều thách thức hết sức độc đáo
vào mùa đông Mặt Trời không bao giờ mọc trên đường chân trời,
chỉ có duy nhất một màn đêm kéo dài trong nhiều tháng.
Một điều tuyệt vời dành cho kính thiên văn,
nhưng nó gây tổn thất về mặt tâm lý cho con người rất nhiều.
Nhiều đêm phải thức trắng làm việc tại vùng đất khắc nghiệt này.
Sau gần một thập kỷ chuẩn bị, EHT cuối cùng cũng đã sẵn sàng
kết hợp 8 kính thiên văn thành 1 thiết bị duy nhất.
Vào ngày 5 tháng 4 năm 2017, EHT lần đầu tiên nhắm vào mục tiêu đã được chọn, M87 *,
lỗ đen trung tâm thiên hà khổng lồ Messier 87, cách Trái Đất khoảng 55 triệu năm ánh sáng.
Cố gắng nhìn sâu vào trái tim đen tối của một thiên hà cách xa hàng chục triệu năm ánh sáng
có vẻ như đây là một sự lựa chọn khác thường.
Có nhiều lỗ đen gần thiên hà của chúng ta hơn.
Nhưng M87 * đã được lựa chọn một cách kỹ lưỡng.
Nó có hai lợi thế lớn:
Đây là một trong những lỗ đen lớn nhất được biết đến,
cho các nhà thiên văn học cơ hội quan sát tốt hơn
so với nhiều lỗ đen khác nhỏ hơn trong nhóm thiên hà liền kề
và nó không nằm quá xa về phía bắc hoặc ở phía nam trên bầu trời
-- đây là điều quan trọng nếu các kính thiên văn trên toàn thế giới phải quan sát nó cùng một lúc.
Sau nhiều đêm thức trắng dành cho việc quan sát kết thúc,
một giai đoạn làm việc mới bắt đầu.
Để tìm hiểu về những gì đã quan sát được
các nhà khoa học đã phải kết hợp và phân tích dữ liệu một cách tỉ mỉ.
Hai trung tâm tính toán, một ở châu Âu và một ở Hoa Kỳ,
đã kết hợp một lượng dữ liệu đáng kinh ngạc
-- khoảng 350 terabyte mỗi ngày từ mỗi kính thiên văn.
Dữ liệu phải được đồng bộ hóa bởi đồng hồ nguyên tử
chính xác đến nỗi sau 10 triệu năm nó mới chạy lệch có 1 giây
và sau đó dữ liệu được chuyển trên các ổ cứng chứa đầy heli chuyên dụng.
Tuy việc vận chuyển thứ hàng hóa quý giá này bằng tay có vẻ như là một giải pháp công nghệ thấp,
nhưng vì ổ đĩa chứa quá nhiều dữ liệu nên đôi khi,
vận chuyển chúng bằng tay lại là cách truyền tải dữ liệu nhanh nhất từng được thực hiện.
Sau hàng giờ làm việc với dữ liệu quan sát,
một bức ảnh bắt đầu hình thành.
Bức ảnh này sẽ cho hàng trăm nhà khoa học
biết liệu sau hàng thập kỷ làm việc, họ đã đạt được điều không thể đạt được,
hoặc đó vẫn chỉ là một điều vô ích.
Mặc dù bản thân lỗ đen hoàn toàn tối đen,
chúng ảnh hưởng đến đường đi của các hạt photon di chuyển trong vùng lân cận của chúng
và để lại một dấu vết không thể nhầm lẫn trên ánh sáng từ chiếc đĩa bồi tụ xung quanh lỗ đen
-- một đĩa vật chất lớn dần dần xoắn về phía vật chủ của nó.
Vật chất bị kéo vào tập trung ngày càng nhiều,
dẫn đến ma sát nhau, làm nóng lên để tạo thành một dòng plasma phát sáng
Đường đi của ánh sáng phát ra từ đám khí phát sáng này được quyết định bởi lỗ đen:
ánh sáng đi ngang qua nó bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn cực lớn,
lướt qua các rìa của nó,
nhưng ánh sáng không bao giờ thoát được nếu tiến đến quá gần và bị giữ lại.
Nhìn từ Trái Đất bằng kính thiên văn vô tuyến
những hiệu ứng này biểu hiện như cái bóng của một lỗ đen
-- một vùng trung tâm tối tăm phủ bóng xuống dòng plasma sáng chói.
Sau 2 năm miệt mài tính toán, bức ảnh cuối cùng đã sẵn sàng.
Mặc dù được chụp từ khoảng cách đáng kinh ngạc 55 triệu năm ánh sáng,
bức ảnh cho thấy một cấu trúc giống như chiếc nhẫn với một vùng trung tâm tối đen.
Lần đầu tiên trong lịch sử: cái bóng của một lỗ đen!
Và rồi chúng tôi nhìn vào nguồn đầu tiên và chúng tôi thấy chiếc nhẫn đó.
Chúng tôi thấy chân trời sự kiện và chúng tôi thấy cái bóng đó, vùng tối đó và bạn biết ngay
ta đang nhìn vào chân trời sự kiện tại một lỗ đen cùng lúc từ mọi góc độ trong bức ảnh này.
Chúng ta nhìn vào khu vực nơi thời gian dừng lại
Đây là một phần rất khác của Vũ Trụ lần đầu tiên ta tận mắt nhìn thấy.
Đây chính là thứ chúng tôi không ngừng tìm kiếm sau 8 năm trời
cùng tất cả tiến trình dai dẳng đó,
một vài tuần tạo ảnh và nó đã cho chúng tôi thấy chính xác những gì mình muốn.
Tôi không thể tin được.
Tôi phải nói rằng giờ đây phát hiện này đã được đưa lên một tầm cao mới,
hình ảnh thu được y hệt nhiều mô phỏng trước đây.
Là sự hòa hợp đặc biệt giữa lý thuyết và thực nghiệm
và nó hứa hẹn những bước đột phá to lớn ở tương lai phía trước.
Thành tựu lịch sử này là một cột mốc quan trọng trong việc mở rộng tầm hiểu biết của chúng ta về Vũ Trụ,
và cũng tạo nên một tiền lệ mới cho sự hợp tác toàn cầu trong nghiên cứu khoa học.
Một trong những điều hạnh phúc nhất chính là đội ngũ chúng tôi không ngừng gắn kết xây dựng,
thực tế chúng tôi đã làm một việc mọi người luôn bảo đó là điều bất khả thi,
và khi bạn đã làm được điều mà nhiều người khác lại không là một cảm giác hết sức tuyệt vời.
và tôi cho rằng cả đội rất tự hào khi chúng tôi đã hoàn thành một việc giống như vậy.
Đó không chỉ là chiến công dành cho mỗi chúng tôi, mà là của mọi người.
Khi EHT được mở rộng
nó sẽ cho phép chúng ta tìm lời giải cho nhiều câu hỏi hóc búa
thu hút các nhà nghiên cứu đến với lỗ đen:
trong điều kiện khắc nghiệt nhất mà ta biết, các định luật vật lý trụ vững đến đâu?
Khí, bức xạ và các hạt hoạt động quanh lỗ đen như thế nào?
Lý thuyết nào là đúng, và thuyết nào sẽ bị phá vỡ với những quan sát chính xác hơn?
Chỉ có thời gian mới trả lời được bí ẩn nào tiếp theo sẽ được EHT làm sáng tỏ.
Transcribed by ESO; translated by — Thanh Sang Mai.