Sagittarius A* được quan sát dưới bước sóng tia X. Ảnh: NASA.

Mạnh mẽ, sâu thẳm và mật độ dày đặc vô hạn, blackhole (lỗ đen vũ trụ) khuất phục tất cả những hiểu biết vật lư của nhân loại đến tận ngày nay.

Lỗ đen Sagittarius A* làm nổ ra cuộc tranh căi không hồi kết giữa các nhà khoa học về bản chất của ḿnh.
Trung tâm thiên hà chúng ta là lỗ đen vũ trụ khổng lồ tên gọi Sagittarius A* (Sgr A*). Lỗ đen này giữ tất cả vật chất trong thiên hà chúng ta quay quanh quỹ đạo nhờ lực hấp dẫn khủng khiếp của nó.
Tuy chỉ cách Trái đất 25.640 năm ánh sáng, loài người chưa bao giờ tận mắt nh́n thấy “trái tim của dải ngân hà”, bởi lỗ đen hấp thụ mọi ánh sáng xung quanh nó. Chính v́ vậy, cách duy nhất để khám phá lỗ đen chính là nghiên cứu vùng không gian xung quanh chúng.
Trong vài thập kỉ gần đây, các nhà vật lư thiên văn đă nghiên cứu vùng không gian quanh lỗ đen Sgr A* để tạo ra một mô phỏng thực tế ảo 3D về nó.
“Nhờ các siêu máy tính và những thuật toán 3D mạnh mẽ, các nhà khoa học có thể tích hợp nhiều hiện tượng vật lư hơn vào bài toán mô phỏng” nhà vật lư thiên văn Jean-Pierre Luminet, Giám đốc dự án nghiên cứu từ Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, trả lời tạp chí Science Alert.





Cái mà chúng ta đang nh́n thấy trong video chính là lỗ đen, với vùng không gian đen đặc h́nh cầu bao quanh bởi lớp vật chất sáng chung quanh đang chuyển động tốc độ cao.
Có thể thấy, lỗ đen không giống “lỗ”, và thực sự cũng không "đen". Điều cần biết là mật độ vật chất ở đây cực ḱ đậm đặc, tới nỗi ngay cả các quang tử (photon) cũng không thể thoát ra được dù có tốc độ nhanh nhất vũ trụ.
Xung quanh lỗ đen là một trong những môi trường vật chất khắc nghiệt bậc nhất vũ trụ, với đa phần là các đám mây khí và vẫn thạch. Một số sẽ bị trường hấp dẫn của hố đen hút vào và vĩnh viễn biến mất. Một số khác, theo như giả thiết, sẽ trượt dọc theo các đường sức từ của hố đen và bị phun ra khỏi 2 cực của nó.
“Ánh sáng mà bạn thấy đến từ các vật chất bị hút vào lỗ đen như bị hút vào xoáy nước. Do tốc độ quá lớn và điều kiện khắc nghiệt, chúng chuyển thành trạng thái plasma và bức xạ ánh sáng khả kiến. Các ánh sáng đó sẽ bị trọng lực khủng khiếp của hố đen bẻ cong trước khi thoát ra ngoài”, Davelaar giải thích.
Nhiều năm qua đă có vài mô phỏng số về vùng không gian xung quanh lỗ đen. Mô phỏng nổi tiếng nhất có lẽ ở trong bộ phim Interstellar (tên tiếng việt: Hố đen tử thần), nhưng các mô phỏng này không chính xác v́ người ta thiết kế chúng bắt mắt để thu hút người xem.
Mô phỏng tạo ra bởi Davelaar và nhóm của ông không giống với lỗ đen Gargantua trong phim. Nó giống với một lỗ đen mô phỏng bởi nhà vật lư thiên văn Jean Alain Marck ở CNRS và của Luminet, người công bố h́nh ảnh về đĩa đệm quanh hố đen vào năm 1979.


So sánh mô phỏng của Davelaar (trái) và mô phỏng của Jean-Alain Marck (phải) vào năm 1989. Ảnh: Jean-Pierre Luminet.

Tuy vậy giữa các mô phỏng này cũng c̣n một số khác biệt lớn.
Đầu tiên, mô phỏng của Davelaar cho thấy một lỗ đen không đứng yên mà chuyển động quay với động lượng góc rất lớn. Khác với mô phỏng trước đây sử dụng lư thuyết trường không thời gian Schwarzschild (hố đen đứng yên).
Thứ hai, đĩa đệm không hẳn là một “đĩa” mà là một ṿng vật chất h́nh xuyến. Điều này do mô phỏng của Davelaar có tính đến từ trường của lỗ đen.
Hai sự khác biệt trên đă thay đổi cách nh́n nhận của con người về lỗ đen Sgr A* ở trung tâm ngân hà. Trường không-thời gian (mô h́nh toán học gộp ba chiều không gian với một chiều thời gian tạo thành một cấu trúc thống nhất) không c̣n là các “đĩa” phẳng với quỹ đạo elip (trường không thời gian Schwarzschild), mà chúng gần với trường không thời gian Kerr hơn (nơi vật chất chuyển động không trên các mặt phẳng).


Câu hỏi có được giải đáp?

Bí ẩn trên có được sáng tỏ hay không, hoàn toàn tùy thuộc vào kết quả dự án kính thiên văn Chân trời sự kiện (Event Horizon Telescope). Đây là một chương tŕnh quan sát thiên văn tập trung vào các lỗ đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm các thiên hà.
Chương tŕnh sử dụng kỹ thuật giao thoa với đường cơ sở rất dài (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) bằng cách kết hợp các kính viễn vọng vô tuyến trên toàn thế giới.
Trong đó nhiều ăng-ten độc lập cách xa hàng chục ngh́n kilomet được điều phối, cùng quan sát và ghi lại dữ liệu trong cùng một thời điểm, tạo thành một mạng lưới kính thiên văn khổng lồ có đường kính tương đương đường kính Trái đất.




Mô phỏng máy tính h́nh ảnh lỗ đen với hào quang vật chất bao quanh bóng tối lỗ đen
(viền sáng mỏng là quỹ đạo photon, chân trời sự kiện nằm trong vùng bóng tối này).

Kính thiên văn ảo này làm tăng độ phân giải góc đến mức đủ quan sát cấu trúc lớn của vùng bao quanh chân trời sự kiện (Chân trời sự kiện là biên phía trong của không-thời gian gần một điểm kỳ dị, tất cả các loại vật chất nếu nằm dưới giới hạn này, kể cả các sóng điện từ (gồm cả ánh sáng) đều không thể vượt ra ngoài để đến với người quan sát).
Dự án này hy vọng thực hiện kiểm chứng thuyết tương đối tổng quát của Einstein, khi sẽ phát hiện ra những sai lệch dưới ảnh hưởng trường hấp dẫn mạnh của một lỗ đen. Ngoài ra c̣n có nghiên cứu đĩa bồi tụ và các tia phát ra từ lỗ đen, thảo luận về sự tồn tại của chân trời sự kiện và phát triển cơ sở vật lư lỗ đen.
Trong năm tới có lẽ chúng ta sẽ có bức ảnh đầu tiên về chân trời sự kiện, khi đó có thể biết được liệu các mô phỏng số có đáng tin cậy hay không.
Cho dù câu trả lời là ǵ, các mô phỏng số về lỗ đen đă cho thấy khoa học của con người đă rất tiến bộ chỉ trong vài thập kỉ qua. Tương lai không xa, có lẽ người ta sẽ khám phá ra được bí mật của các lỗ đen vũ trụ, và cách mà các thiên hà đă được h́nh thành như thế nào.


Antennas at Night on the Chajnantor Plateau. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)


Cho tới hiện tại các nhà thiên văn học xác nhận sự tồn tại một lỗ đen khổng lồ ở ngay tâm thiên hà của chúng ta. Tuy nhiên không phải tất cả họ đều đồng thuận với nhau về bản chất triết học của lỗ đen vũ trụ.

Bản chất lỗ đen và cuộc tranh căi không hồi kết

Một nghiên cứu được công bố vào tháng 1 trên tạp chí Nature Astronomy do Erik Curiel, nhà triết học, vật lư học của Đại học Harvard và Trung tâm triết học, toán học Munich tại Đức, Lud Ludwig-Maximilians thuộc Đại học München tiến hành, kết luận rằng các ngành khoa học không có chung một tiếng nói về vấn đề lỗ đen.
Những đặc trưng lỗ đen luôn là chủ đề của các cuộc nghiên cứu trong một loạt phân ngành vật lư, bao gồm vật lư quang học, vật lư lượng tử và tất nhiên cả vật lư thiên văn.
Tuy nhiên, mỗi chuyên ngành lại tiếp cận vấn đề với các khái niệm lư thuyết cụ thể của riêng ḿnh. Đó là lư do các nhà khoa học ở những ngành khoa học khác nhau hiếm khi đồng thuận để cùng xác định bản chất của lỗ đen vũ trụ.


Erik Curiel, nhà triết học, vật lư học của Đại học Harvard và Trung tâm triết học, toán học Munich, Lud Ludwig-Maximilians thuộc Đại học München Đức

Curiel đă tập hợp nhiều quan điểm, định nghĩa lỗ đen vũ trụ của nhiều nhà vật lư khác nhau. "Lỗ đen là một nhà tù chỉ có ngơ vào mà không có ngơ ra, vật chất đi vào đó và không có chuyện đi ra”, nhà vật lư kết luận.
Trong khi một nhà vật lư lư thuyết lại cho rằng “lỗ đen chỉ là một vật thể như bao vật thể khác trong vũ trụ, nó có thể di chuyển ṿng ṿng xung quanh”.
Curiel tập trung vào mọi giả thuyết, cố h́nh dung xem tại sao cùng một thực thể lại có nhiều định nghĩa như vậy trong khoa học. Kết quả ông buộc phải chấp nhận việc đa định nghĩa cùng tồn tại. Đơn giản v́ mỗi ngành khoa học sẽ định nghĩa lỗ đen vũ trụ sao cho các đặc tính của nó phù hợp nhất với lĩnh vực mà họ nghiên cứu.
Điều này có nghĩa chúng ta vẫn chưa thể biết được bản chất của lỗ đen, mà chỉ có thể quan sát và ghi nhận các đặc tính của nó theo nhiều góc nh́n khác nhau ứng với nhiều ngành khoa học khác nhau.
“Kết luận của tôi là trong một giới hạn cho phép nào đó, sự khác biệt về mặt định nghĩa đối với lỗ đen vũ trụ là cần thiết để các nhà khoa học ở nhiều lĩnh vực có thể tiến hành quan sát và nghiên cứu lỗ đen thuận tiện hơn”, ông Curiel cho biết. “Tuy nhiên khi giao tiếp giữa ngành này với ngành kia, chúng ta cần chuyển đổi một số thuật ngữ để kết quả được tương đồng”.


Simulation of material orbiting close to a black hole. Credit: ESO/Gravity Consortium/L. Calçada

Điểm kỳ dị (singularity) chưa rơ nguồn gốc

Mỗi vật thể được xác định chính xác, hay nói cách khác, được hiểu trọn vẹn bởi khoa học đều sẽ có một định nghĩa triết học về nó. V́ định nghĩa triết học được xem là cao nhất, lư tưởng và chính xác nhất, suy cho cùng, các ngành khoa học đều được bao hàm bởi triết học.
Lỗ đen được quy ước là một vật thể thiên văn tiêu thụ tất cả vật chất và bức xạ trong phạm vi ảnh hưởng của nó. Về mặt vật lư, một lỗ đen được xác định bởi sự hiện diện của một điểm kỳ dị (dị điểm), tức một vùng không gian giới hạn bởi 'chân trời sự kiện' (event horizon), trong đó mật độ khối lượng, năng lượng trở nên vô hạn, và không thể áp dụng các định luật vật lư thông thường.

Erik Curiel đă nghiên cứu triết học, vật lư lư thuyết tại Đại học Harvard và Đại học Chicago. Mục đích chính của dự án nghiên cứu là phát triển một mô tả triết học chính xác về các khía cạnh khó hiểu nhất định của vật lư hiện đại.
"Lỗ đen thuộc về một nơi không thể tiếp cận và quan sát với công nghệ hiện nay. Mọi nghiên cứu đều dựa trên giả định rằng lỗ đen có tồn tại, do đó mọi mức suy đoán đều sẽ là khác thường ngay cả đối trong lĩnh vực vật lư lư thuyết", Curiel cho biết.
Các nhà khoa học vẫn đang trong giai đoạn quan sát những tính chất không thời gian của lỗ đen dưới góc nh́n chủ yếu là vật lư. Cho tới khi loài người đủ công nghệ để tiến hành một khảo sát, như việc gửi tàu thăm ḍ đến lỗ đen, mọi định nghĩa hiện tại chỉ là để phù hợp với góc nh́n của từng ngành, và chưa ai có thể khẳng định bản chất của lỗ đen là ǵ.
Tổng hợp từ 2 bài của tg Đại Việt (Zing)