Lỗ đen là một vùng không-thời gian có lực hấp dẫn mạnh đến mức không có sự vật nào, dù là vật chất hay bức xạ điện từ như ánh sáng, có thể thoát khỏi. Những lỗ đen này được bao quanh bởi vật chất, sau một thời gian lỗ đen sẽ gia tốc cho các hạt vật chất này và tăng tốc lên, tạo thành những chiếc “đĩa bồi tụ”.

Về lý thuyết, chúng ta sẽ quan sát thấy vật chất xoay xung quanh lỗ đen với tốc độ cao, đồng thời tỏa nhiệt và phát sáng và tạo thành hình đĩa ở mọi phương hướng. Tuy nhiên, chúng ta lại nhìn thấy một chiếc “nhẫn” phát sáng với phần rìa bên trong tối hơn. Tại sao vậy?

Hình ảnh đầu tiên về lỗ đen được chụp bởi Kính thiên văn Chân trời sự kiện. (Nguồn: EHT Collaboration)

Trước hết, chúng ta cần hiểu cách mà bức ảnh này được tạo ra. Về bản chất, lỗ đen không thể quan sát được. Bất kỳ thứ gì đi quan đường chân trời sự kiện của lỗ đen, kể cả ánh sáng, đều không thể quay trở lại, và không tia sáng nào có thể ra ngoài để chúng ta quan sát. Cách duy nhất chúng ta biết sự tồn tại của lỗ đen là quan sát sự ảnh hưởng của nó đến vật chất và vùng không gian xung quanh.

KÍNH THIÊN VĂN CHÂN TRỜI SỰ KIỆN (EVENT HORIZON TELESCOPE)

Đây là một mạng lưới kính thiên văn vô tuyến toàn cầu, có nhiệm vụ chính là quan sát các nguồn sóng radio phát ra từ những lỗ đen, được gọi chung là giao thoa kế. Tầm quan sát trải dài khắp Trái Đất giúp các nhà khoa học tạo ra các bức ảnh về chân trời sự kiện với độ phân giải cao. 

Để chụp được một bức ảnh về lỗ đen, người ta dùng các bước sóng radio chỉ để quan sát bức xạ vùng nhỏ, không thể quan sát bức xạ mức cao hơn vì số lượng đài quan sát ít ỏi không cho phép. 

HÌNH DÁNG CỦA LỖ ĐEN

Hình ảnh mô phỏng trường hấp dẫn của lỗ đen (Nguồn: Đại học Colorado Boulder)

Bán kính đường chân trời sự kiện của một lỗ đen được biết đến với tên là Bán kính Schwarzschild, ký hiệu là RS. Như đã nói, lỗ đen có vật chất xoay xung quanh nó và tạo thành đĩa bồi tụ. Lỗ đen “ăn” lượng vật chất này và trở nên lớn dần, nhưng đĩa bồi tụ lại không kéo dài chạm đến đường chân trời của lỗ đen, tại sao? Thực ra, có một quỹ đạo tròn ổn định trong cùng, vật chất ở trong quỹ đạo này sẽ không bị hút vào mà liên tục xoay xung quanh lỗ đen. Đối với vật chất xung quanh một lỗ đen không xoay thì bán kính quỹ đạo sẽ là 3RS. 

Tuy nhiên, bán kính trên chỉ áp dụng với vật chất có khối lượng. Bức xạ điện từ như ánh sáng không có khối lượng, nên có thể xoay xung quanh lỗ đen gần hơn mà không bị hút vào với bán kính là 1,5RS. Điều này tạo nên một vòng tròn hạt photon mờ nhạt xoay xung quanh đường chân trời sự kiện. 

Lỗ đen có lực hút mạnh đến nỗi chúng bẻ cong không-thời gian và làm bẻ hướng đi của ánh sáng xung quanh, làm cho ánh sáng đi theo đường cong. Những tia sáng đến quá gần lỗ đen, dù có đi qua đường chân trời sự kiện hay không, đều sẽ bị bẻ cong và hút vào. 

Tưởng tượng những tia sáng từ phía người quan sát (là chúng ta) chiếu đến lỗ đen, chúng ta cần những tia sáng ấy chiếu quay lại chiều song song. Để có những tia sáng song song ấy và không bị hút vào lỗ đen, chúng phải cách lỗ đen xa một khoảng 2,6RS.  Ở khoảng cách này, các tia sáng sẽ chạy sát xung quanh vòng tròn hạt photon và phóng ra ngoài. 

Kết quả của hiện tượng này là một cái “bóng” lớn gấp 2,6 lần đường chân trời sự kiện. Kết hợp với đĩa bồi tụ, chúng ta được hình ảnh tương đối của một lỗ đen. Chúng ta có thể quan sát thấy đĩa bồi tụ ở bất kỳ góc nào, có thể là song song hoặc vuông góc với chúng ta. 

Giả sử đĩa bồi tụ ở hướng song song mắt chúng ta và không có vùng sáng bao quanh, thì chúng ta có thấy được cái “bóng” của lỗ đen không? Thực ra, nhờ việc lỗ đen bẻ cong không-thời gian xung quanh và hướng của ánh sáng, chúng ta có thể thấy mặt sau của đĩa bồi tụ. Ánh sáng phát ra từ vật chất ở mặt sau bị lỗ đen bẻ cong và hướng ra phía trước, khiến cho hình ảnh lỗ đen lúc này sẽ giống như một chiếc nhẫn với đường sáng lớn cắt ngang khoảng giữa. 

Thêm vào đó, ánh sáng từ vật chất ở phía trước đĩa bồi tụ cũng bị bẻ cong bởi lỗ đen. Chúng đi vòng ra sau và ngoặc lại phía trước, đến sát gần với đường chân trời sự kiện. Đó là lí do vì sao lại có một vòng sáng mờ ở phía trong cái “bóng” của hố đen.

Hình ảnh lỗ đen trong phim Interstellar được mô phỏng với độ chính xác cực cao (Nguồn: Interstellar)

TƯƠNG LAI

Các nhà khoa học đang phát triển các mô hình quan sát và đo đạc dữ liệu, điều khiển sự thay đổi của vật chất trong các môi trường siêu khắc nghiệt, và quan sát các lỗ đen khác trong vũ trụ. Hiện tại, chúng ta chỉ mới theo dõi được 20 lỗ đen sao trong dải Ngân Hà, nhưng các nhà khoa học suy đoán có thể tồn tại hàng chục triệu lỗ đen ngoài vũ trụ. Trong tương lai, ngày càng nhiều kính thiên văn với công nghệ tân tiến sẽ được tạo ra, và mang đến những đường chân trời sự kiện mới cho nền tảng khoa học vũ trụ. 

THAM KHẢO

[1] Astronomers reveal the first image of the black hole at the heart of our galaxy (2022) Event Horizon Telescope. 

[2] A black hole is a waterfall of space (Waterfall)

[3] Black holes (2023) Museums Victoria.

[4] Buchet, E. (2023) Explaining the picture of the Black Hole, Laboratory Updates | Hiroshima University.

[5] Siegel, E. (2022) Ask Ethan: Why do black holes look like rings, not disks?, Big Think.

[6] How did they actually take this picture? (Very Long Baseline Interferometry)

[7] About the Event Horizon Telescope (2020) Event Horizon Telescope.