Hố đen không phát ra ánh sáng, nên bức ảnh hố đen thực chất là ảnh của khí cực nóng xoáy quanh nó, với một vùng tối ở giữa gọi là "bóng" của hố đen. Ảnh đầu tiên — hố đen M87* ở tâm thiên hà M87 — được Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (Event Horizon Telescope) công bố ngày 10/4/2019; ảnh hố đen Sagittarius A* ở tâm Dải Ngân Hà công bố ngày 12/5/2022. Để chụp được, các nhà khoa học nối nhiều đài vô tuyến trên khắp Trái Đất thành một kính thiên văn ảo to cỡ cả hành tinh.
Hố đen là gì: chỗ ánh sáng không thoát ra được
Hố đen là vùng không gian mà lực hấp dẫn mạnh đến mức không gì thoát ra được, kể cả ánh sáng. Ranh giới của vùng ấy gọi là chân trời sự kiện. Vượt qua ranh giới này thì mọi đường đi đều dẫn vào trong. Bản thân chân trời sự kiện không phải một bề mặt vật chất, mà là một "điểm không thể quay lại".
Hố đen hình thành phổ biến nhất khi một ngôi sao rất nặng cạn nhiên liệu, lõi của nó sụp đổ dưới sức nặng của chính mình. Những hố đen loại này nặng vài đến vài chục lần Mặt Trời. Còn ở tâm hầu hết các thiên hà lớn là hố đen siêu nặng, khối lượng từ hàng triệu tới hàng tỉ Mặt Trời; nguồn gốc của chúng vẫn đang được nghiên cứu.
Từ "ngôi sao tối" đến "hố đen": lịch sử một ý tưởng
- 1783 — Mục sư và nhà khoa học Anh John Michell, dùng cơ học Newton, đề xuất có thể tồn tại những "ngôi sao tối" nặng đến mức ánh sáng không thoát ra được. Pierre-Simon Laplace có ý tưởng tương tự vài năm sau.
- 1915–1916 — Einstein công bố thuyết tương đối rộng; vài tháng sau, Karl Schwarzschild, khi đang phục vụ trong quân đội Đức, tìm ra lời giải chính xác mô tả không thời gian quanh một khối cầu, trong đó có ranh giới mà sau này được hiểu là chân trời sự kiện.
- 1964–1972 — Nguồn tia X Cygnus X-1 được phát hiện, rồi được xác định là một hố đen quay quanh một sao xanh khổng lồ — một trong những ứng viên hố đen thuyết phục đầu tiên.
- 1967 — Nhà vật lý John Wheeler làm phổ biến cụm từ "hố đen".
- 1974 — Stephen Hawking tính ra hố đen về lý thuyết phải phát ra một bức xạ cực yếu (bức xạ Hawking). Tới nay chưa ai đo được.
- 2015 — LIGO bắt được sóng hấp dẫn từ hai hố đen sáp nhập — lần đầu "nghe" hố đen.
- 2019 và 2022 — Ảnh M87* và Sagittarius A*.
- 2020 — Nobel Vật lý trao cho Roger Penrose (chứng minh hố đen là hệ quả tất yếu của thuyết tương đối rộng) cùng Reinhard Genzel và Andrea Ghez (chứng minh có vật thể siêu nặng, vô hình ở tâm Dải Ngân Hà).
Thấy thứ vô hình qua những gì xung quanh nó
Trước khi có ảnh, người ta đã biết hố đen ở đâu nhờ ảnh hưởng của nó lên hàng xóm. Đây là cùng một kiểu suy luận như với vật chất tối: không thấy vật, nhưng thấy dấu vết.
Những ngôi sao quay quanh "khoảng không"
Từ thập niên 1990, nhóm của Reinhard Genzel (Đức) và nhóm của Andrea Ghez (Mỹ) theo dõi riêng rẽ các ngôi sao gần tâm Dải Ngân Hà bằng ánh sáng hồng ngoại, vì bụi dày chắn ánh sáng nhìn thấy. Họ thấy các ngôi sao quay theo những quỹ đạo elip quanh một điểm không có gì phát sáng. Ngôi sao S2 đi hết một vòng trong khoảng 16 năm, có lúc lao qua điểm ấy với tốc độ vài nghìn km/giây. Từ quỹ đạo đó, tính ra khối lượng ở tâm vào khoảng 4 triệu lần Mặt Trời, dồn trong một vùng nhỏ đến mức không thể là gì khác ngoài một hố đen.
Đĩa khí sáng rực và tia vật chất
Khí và bụi rơi về hố đen không lao thẳng vào mà xoáy thành đĩa, cọ xát nóng lên hàng triệu độ, phát tia X và sóng vô tuyến. Nghịch lý thú vị là những hố đen đang "ăn" thuộc loại vật thể sáng nhất vũ trụ — các chuẩn tinh (quasar) có thể sáng hơn cả thiên hà chứa chúng. Một số hố đen còn phóng ra các tia vật chất dài hàng nghìn năm ánh sáng, như tia của M87 đã được chụp từ đầu thế kỷ 20.
Chụp ảnh hố đen: kính thiên văn to bằng Trái Đất
Khó khăn nằm ở kích thước. M87* nặng khoảng 6,5 tỉ lần Mặt Trời nhưng cách chúng ta khoảng 55 triệu năm ánh sáng. Nhìn từ Trái Đất, vòng sáng quanh nó nhỏ cỡ một quả cam đặt trên Mặt Trăng. Không kính thiên văn đơn lẻ nào phân giải được.
Giải pháp là kỹ thuật giao thoa đường đáy rất dài (VLBI): nhiều đài vô tuyến ở Hawaii, Arizona, Chile, Mexico, Tây Ban Nha, Nam Cực… cùng nhìn một mục tiêu trong cùng thời điểm, ở bước sóng khoảng 1,3 mm. Mỗi đài ghi dữ liệu kèm dấu thời gian từ đồng hồ nguyên tử cực chính xác. Sau đó dữ liệu — lớn đến mức phải chở ổ cứng bằng máy bay thay vì truyền qua mạng — được ghép lại bằng siêu máy tính. Kết quả tương đương một kính thiên văn có đường kính gần bằng Trái Đất.
Dữ liệu cho cả hai bức ảnh được thu trong đợt quan sát tháng 4/2017. Nhóm hơn 200 nhà khoa học chia thành các tổ độc lập dựng ảnh bằng những phương pháp khác nhau, không cho nhau xem kết quả, để tránh tự gợi ý cho nhau. Các tổ cùng ra một vòng sáng có lỗ tối ở giữa — đó là điều thuyết phục nhất.
Bức ảnh thực ra cho thấy gì
| Thứ trong ảnh | Thực chất |
|---|---|
| Vòng sáng màu cam | Sóng vô tuyến của khí cực nóng quanh hố đen; màu cam là màu giả do người dựng ảnh chọn, mắt người không thấy bước sóng này |
| Một phía vòng sáng hơn | Khí ở phía đó đang chuyển động về phía ta với tốc độ gần ánh sáng nên sáng hơn (hiệu ứng tương đối tính) |
| Vùng tối ở giữa | "Bóng" của hố đen, rộng khoảng 2,5 lần chân trời sự kiện vì hố đen bẻ cong cả ánh sáng đi ngang qua |
| Hình ảnh hơi nhoè | Giới hạn phân giải của kính thiên văn ảo, không phải hố đen "mờ" |
So sánh M87* với Sagittarius A* là một kiểm tra đẹp cho Einstein: hai hố đen chênh nhau khoảng 1.500 lần về khối lượng, nhưng bóng của cả hai đều có kích thước đúng như thuyết tương đối rộng dự đoán. Sagittarius A* khó chụp hơn dù gần hơn nhiều (khoảng 27.000 năm ánh sáng), vì nó nhỏ nên khí quanh nó xoay hết một vòng chỉ trong vài phút — giống chụp một đứa trẻ chạy lăng xăng thay vì một người ngồi yên.
Ngộ nhận thường gặp về hố đen
- "Hố đen hút mọi thứ như máy hút bụi." Không hẳn. Ở xa, hố đen hút y như một ngôi sao cùng khối lượng. Nếu Mặt Trời bị thay bằng hố đen cùng khối lượng, Trái Đất vẫn quay quỹ đạo cũ — chỉ là trời tối và lạnh.
- "Hố đen là cái lỗ." Nó là một vùng không gian cực kỳ đặc, không phải lỗ thủng.
- "Ảnh hố đen là ảnh chụp như máy ảnh." Đó là ảnh dựng từ dữ liệu vô tuyến, đã được kiểm chứng chéo nhiều cách, nhưng không phải thứ mắt ta thấy được.
Góc nhìn hôm nay: xem và đọc gì tiếp
Mạng lưới Event Horizon Telescope tiếp tục quan sát hằng năm, đã công bố ảnh ánh sáng phân cực cho thấy từ trường quanh M87*, và đang hướng tới làm "phim" hố đen để thấy khí chuyển động. Bạn có thể:
- Xem trang chính thức của Event Horizon Telescope và của Đài thiên văn Nam Âu (ESO), nơi có ảnh độ phân giải cao cùng giải thích từng chi tiết.
- Đọc Lược sử thời gian của Stephen Hawking — đã có bản tiếng Việt, vẫn là cuốn nhập môn dễ đọc về hố đen.
- Vào đêm trời tối, nhìn về chòm Nhân Mã (Sagittarius) vào khoảng tháng 6–8: tâm Dải Ngân Hà và hố đen 4 triệu lần Mặt Trời nằm phía đó, sau những đám mây sao và bụi.
- Phim Interstellar (2014) có hình ảnh hố đen được dựng với sự cố vấn của nhà vật lý Kip Thorne; hình ảnh vòng sáng trong phim khá gần với mô phỏng khoa học, dù phần cốt truyện là hư cấu.
Câu hỏi thường gặp
Hố đen không phát sáng thì chụp ảnh bằng cách nào?
Ảnh hố đen chụp khí cực nóng xoáy quanh nó, phát sóng vô tuyến mạnh. Ở giữa vòng sáng là vùng tối — bóng của hố đen. Kính thiên văn Chân trời Sự kiện ghép nhiều đài vô tuyến khắp thế giới thành một kính ảo rộng cỡ Trái Đất mới đủ độ nét.
Ảnh hố đen đầu tiên công bố năm nào?
Ngày 10/4/2019, nhóm Event Horizon Telescope công bố ảnh hố đen M87* ở tâm thiên hà M87, cách khoảng 55 triệu năm ánh sáng. Ngày 12/5/2022, họ công bố ảnh Sagittarius A* ở tâm Dải Ngân Hà. Dữ liệu của cả hai được thu vào tháng 4/2017.
Hố đen gần Trái Đất nhất ở đâu?
Hố đen gần nhất được biết tới nay là Gaia BH1, phát hiện năm 2022 nhờ dữ liệu vệ tinh Gaia, cách ta khoảng 1.500 năm ánh sáng và đang kéo một ngôi sao giống Mặt Trời quay quanh nó. Con số này có thể thay đổi khi khảo sát mới tìm thêm. Không hố đen nào đủ gần để ảnh hưởng tới Trái Đất.
Rơi vào hố đen thì sao?
Với hố đen nhỏ, chênh lệch lực hấp dẫn giữa đầu và chân lớn đến mức vật bị kéo dài ra như sợi mì trước khi tới chân trời sự kiện. Với hố đen siêu nặng, có thể vượt qua chân trời mà chưa cảm thấy gì đặc biệt. Điều xảy ra sau đó vẫn là câu hỏi mở của vật lý.
Màu cam trong ảnh hố đen có phải màu thật?
Không. Ảnh được dựng từ sóng vô tuyến bước sóng khoảng 1,3 mm, mắt người không thấy. Màu cam được chọn để thể hiện độ sáng, chỗ càng sáng là càng nhiều bức xạ.
