Lỗ đen thổi bong bóng vũ trụ giữa những lần đẩy năng lượng cao

Nhóm nghiên cứu đã xác định rằng ít nhất một phần hỗ trợ ngăn ngừa các lỗ hổng sụp đổ đến từ những thứ khác ngoài nhiệt, với những nguồn phi nhiệt này bao gồm các hạt di chuyển ở tốc độ gần ánh sáng, các hạt tích điện tốc độ cao được gọi là tia vũ trụ và nhiễu loạn. Họ cũng tìm thấy một đóng góp nhỏ đến từ từ trường.

Điều này ngụ ý rằng bằng cách trộn lẫn các nguồn nhiệt và phi nhiệt, sự hỗ trợ áp suất trong các bong bóng vô tuyến xung quanh các lỗ đen siêu lớn mang nhiều sắc thái hơn so với suy nghĩ trước đây. 

Nhóm các nhà thiên văn học hiện đang nhắm đến việc quan sát cùng một hệ thống trên các tần số bức xạ điện từ khác nhau để xem dòng chảy ra của lỗ đen kỳ lạ như thế nào và hiểu sâu hơn về vật lý của các cụm thiên hà. 

Đồng tác giả nghiên cứu và nhà thiên văn học của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ, Tracy Clarke, cho biết thêm: “Những phát hiện mới này là hình ảnh SZ có độ chính xác cao sâu nhất về trạng thái nhiệt động lực học của các hốc trong cụm thiên hà”. “Chúng tôi biết đây là một hệ thống thú vị khi nghiên cứu lõi và thùy vô tuyến ở tần số thấp, nhưng bây giờ chúng tôi mới bắt đầu nhìn thấy bức tranh toàn cảnh.”

Bức ảnh đầu tiên về hố đen quái vật của Dải Ngân hà được giải thích bằng ảnh

Xem bức ảnh đầu tiên về hố đen Sagittarius A* của Dải Ngân hà và cách nó được tạo ra.

Vào ngày 12 tháng 5 năm 2022, các nhà khoa học đã công bố hình ảnh đầu tiên về Sagittarius A*, lỗ đen siêu lớn ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta. 

Hình ảnh lịch sử về Sagittarius A* (hay gọi tắt là Sgr A*) được cung cấp bởi Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện , một dãy đài quan sát trên toàn hành tinh nổi tiếng với việc chụp được chân trời sự kiện của lỗ đen trong Messier 87 (M87) vào năm 2019. Bạn có thể xem hình trên.

Hình ảnh được chụp bằng sóng vô tuyến dưới milimet, cho thấy thực sự có một  lỗ đen  được nhúng trong trung tâm của  Dải Ngân hà , ăn bất kỳ khí hydro nào có sẵn. Hình ảnh này cũng là một bước đột phá lớn về công nghệ sau nhiều năm cố gắng chụp Sgr A*, nhỏ hơn nhiều so với M87.

Các nhà khoa học lần đầu tiên chụp ảnh hố đen

Lỗ đen cuối cùng đã được kéo ra khỏi bóng tối.

Lần đầu tiên, nhân loại đã chụp được ảnh một trong những sinh vật vũ trụ khó nắm bắt này, chiếu ánh sáng vào một lĩnh vực không-thời gian kỳ lạ mà từ lâu đã nằm ngoài tầm hiểu biết của chúng ta. 

Sheperd Doeleman, thuộc Đại học Harvard và Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard-Smithsonian, cho biết hôm nay (10/4) trong cuộc họp báo tại Câu lạc bộ Báo chí Quốc gia ở Washington, DC: “Chúng tôi đã thấy những gì mà chúng tôi nghĩ là không thể thấy được”.

Doeleman chỉ đạo dự án Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT), đã ghi lại hình ảnh hoành tráng. Bốn bức ảnh này, được công bố hôm nay tại các sự kiện báo chí trên khắp thế giới và trong một loạt bài báo đã xuất bản, phác thảo các đường viền của lỗ đen quái vật ẩn nấp ở trung tâm của thiên hà hình elip M87.

Hình ảnh đủ gây ấn tượng theo đúng nghĩa của nó. Các nhà nghiên cứu cho biết, điều quan trọng hơn nữa là dấu vết của các kết quả mới có thể sẽ bùng cháy.

“Thực sự có một lĩnh vực mới để khám phá,” Peter Galison, giáo sư vật lý và lịch sử khoa học tại Harvard, cho biết trong một cuộc nói chuyện EHT vào tháng trước tại lễ hội South by Southwest (SXSW) ở Austin, Texas. "Và đó cuối cùng là điều thú vị về điều này."

Galison, người đồng sáng lập Sáng kiến ​​Hố đen liên ngành (BHI) của Harvard, đã so sánh tác động tiềm năng của hình ảnh với tác động của các bức vẽ do nhà khoa học người Anh Robert Hooke thực hiện vào những năm 1600. Những hình minh họa này cho mọi người thấy côn trùng và thực vật trông như thế nào qua kính hiển vi.

Kính viễn vọng có kích thước bằng Trái đất

EHT là một tập đoàn gồm hơn 200 nhà khoa học đã làm việc trong khoảng hai thập kỷ. Đó là một nỗ lực quốc tế thực sự; nguồn tài trợ trong những năm qua đến từ Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ và nhiều tổ chức khác ở các quốc gia trên thế giới.

Dự án lấy tên từ điểm nổi tiếng không thể quay lại của lỗ đen - ranh giới mà ngoài đó không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát khỏi nanh vuốt hấp dẫn của vật thể.

Giám đốc sáng lập BHI Avi Loeb, trưởng khoa thiên văn học của Harvard, nói với Space.com : "Chân trời sự kiện là bức tường nhà tù cuối cùng". (Loeb không phải là thành viên của nhóm EHT.) "Một khi bạn đã tham gia, bạn không bao giờ có thể thoát ra được."

Do đó, không thể chụp ảnh bên trong lỗ đen, trừ khi bạn bằng cách nào đó tự mình vào được trong đó. (Tất nhiên, bạn và những bức ảnh của bạn không thể quay trở lại thế giới bên ngoài.) 

Vì vậy, EHT chụp ảnh chân trời sự kiện, vạch ra hình bóng tối của lỗ đen. (Đĩa khí chuyển động nhanh xoáy xung quanh và đi vào các lỗ đen phát ra rất nhiều bức xạ, vì vậy những bóng như vậy nổi bật.) 

“Chúng tôi đang tìm kiếm sự mất mát của các photon,” thành viên hội đồng khoa học EHT Dan Marrone, phó giáo sư thiên văn học tại Đại học Arizona, nói với Space.com.

Dự án đang xem xét kỹ lưỡng hai lỗ đen — khổng lồ M87, chứa khối lượng gấp khoảng 6,5 tỷ lần khối lượng Mặt trời của Trái đất và lỗ đen trung tâm của dải Ngân hà của chúng ta, được gọi là Sagittarius A* . Vật thể thứ hai này, trong khi vẫn là một lỗ đen siêu lớn, chỉ là một vật nhỏ bé so với quái thú M87, chỉ chứa 4,3 triệu khối lượng mặt trời.

Cả hai vật thể này đều là những mục tiêu khó khăn vì chúng ở rất xa Trái đất. Sagittarius A* nằm cách chúng ta khoảng 26.000 năm ánh sáng và lỗ đen của M87 cách xa 53,5 triệu năm ánh sáng.

Theo quan điểm của chúng tôi, chân trời sự kiện của Nhân Mã A* "nhỏ đến mức nó tương đương với việc nhìn thấy một quả cam trên mặt trăng hoặc có thể đọc báo ở Los Angeles khi bạn đang ngồi ở Thành phố New York," Doeleman nói trong buổi phỏng vấn. sự kiện SXSW tháng trước.

Không một kính viễn vọng nào trên Trái đất có thể thực hiện quan sát đó, vì vậy Doeleman và phần còn lại của nhóm EHT phải sáng tạo. Các nhà nghiên cứu đã liên kết các kính viễn vọng vô tuyến ở Arizona, Tây Ban Nha, Mexico, Nam Cực và những nơi khác trên thế giới, tạo thành một công cụ ảo có kích thước bằng Trái đất. 

Rất nhiều dữ liệu

Nhóm EHT đã sử dụng siêu kính này để nghiên cứu hai lỗ đen siêu lớn trong hai tuần kéo dài cho đến nay — một lần vào tháng 4 năm 2017 và một lần nữa vào năm sau. Hình ảnh mới đến từ lần chạy quan sát đầu tiên.

Có những lý do chính đáng giải thích tại sao phải mất hai năm để kết quả đầu tiên của dự án được đưa ra. Có điều, mỗi đêm quan sát tạo ra khoảng 1 petabyte dữ liệu, dẫn đến việc nhóm phải di chuyển thông tin từ nơi này sang nơi khác theo cách lỗi thời.

Nhà khoa học dự án EHT, Dimitrios Psaltis, giáo sư thiên văn học tại Đại học Arizona, cho biết: “Không có cách nào chúng tôi có thể chuyển dữ liệu này qua internet. "Vì vậy, những gì chúng tôi thực sự làm là, chúng tôi lấy các ổ đĩa cứng của mình và chuyển chúng từ nơi này sang nơi khác. Tốc độ này nhanh hơn nhiều so với bất kỳ loại cáp nào mà bạn có thể tìm thấy."

Tất nhiên, điều này làm chậm và làm phức tạp quá trình phân tích. Ví dụ, dữ liệu từ phạm vi EHT gần Nam Cực không thể rời khỏi Nam Cực cho đến tháng 12 năm 2017, khi trời đủ ấm để máy bay ra vào, Marrone nói.

Ông nói thêm, việc tương quan và hiệu chỉnh dữ liệu cũng rất phức tạp. Và nhóm đã rất quan tâm đến công việc này, do tính chất quan trọng của phát hiện này.

“Nếu bạn muốn đưa ra tuyên bố lớn về việc chụp ảnh lỗ đen, bạn phải có bằng chứng lớn, bằng chứng rất mạnh,” Doeleman nói tại sự kiện SXSW (từng là người giải thích về nỗ lực EHT nhưng không thông báo). bất kỳ kết quả nào).

"Và trong dự án của chúng tôi, chúng tôi thường nghĩ rằng những người như [Albert] Einstein, [Arthur] Eddington [và Karl] Schwarzschild đang nhìn qua vai chúng tôi," ông nói thêm, đề cập đến các nhà vật lý đã giúp tiên phong cho sự hiểu biết của chúng ta về lỗ đen. "Và khi bạn có những người nổi tiếng hầu như kiểm tra công việc của mình, bạn thực sự muốn làm cho đúng."

tất cả có nghĩa là gì

Dự án EHT có hai mục tiêu chính, Psaltis cho biết: lần đầu tiên hình dung ra một chân trời sự kiện và giúp xác định xem thuyết tương đối rộng của Einstein có cần sửa đổi gì hay không.

Trước khi Einstein xuất hiện, lực hấp dẫn thường được coi là một lực bí ẩn ở khoảng cách xa. Nhưng thuyết tương đối rộng mô tả nó là sự cong vênh của không-thời gian: Các vật thể khối lượng lớn như các hành tinh, ngôi sao và lỗ đen tạo ra một loại độ võng trong không-thời gian, giống như một quả bóng bowling nếu được đặt trên tấm bạt lò xo. Các vật thể lân cận đi theo đường cong này và hướng về phía khối lượng trung tâm. 

Thuyết tương đối rộng đã phát triển cực kỳ tốt trong hơn một thế kỷ kể từ khi được giới thiệu, vượt qua mọi bài kiểm tra mà các nhà khoa học đã ném vào nó. Nhưng các quan sát của EHT cung cấp một thử nghiệm khác, trong một lĩnh vực cực đoan nơi các dự đoán có thể không khớp với thực tế. Đó là bởi vì các nhà thiên văn học có thể tính toán kích thước và hình dạng dự kiến ​​của chân trời sự kiện bằng cách sử dụng thuyết tương đối rộng, Psaltis giải thích. 

Nếu hình bóng được quan sát phù hợp với các mô phỏng dựa trên lý thuyết, thì "Einstein đã đúng 100%", Psaltis nói. "Nếu câu trả lời là không, thì chúng ta phải điều chỉnh lý thuyết của ông ấy để làm cho nó hoạt động bằng các thí nghiệm. Đây là cách khoa học hoạt động."

Và hôm nay chúng tôi đã học được rằng không cần chỉnh sửa gì, ít nhất là vào lúc này: Các quan sát M87 của EHT phù hợp với thuyết tương đối rộng, các thành viên trong nhóm cho biết. Cụ thể, chân trời sự kiện gần như hình tròn và có kích thước "đúng" đối với một lỗ đen có khối lượng khổng lồ như vậy.

Avery Broderick, thành viên nhóm EHT, thuộc Đại học Waterloo và Viện Vật lý lý thuyết Perimeter ở Canada, cho biết: “Tôi phải thừa nhận rằng tôi hơi choáng váng vì nó trùng khớp đến mức với những dự đoán mà chúng tôi đã đưa ra”. .

Tất nhiên, sự thật cơ bản như vậy là rất quan trọng đối với quá trình khoa học. Thật vậy, việc cung cấp thông tin tốt hơn để đưa vào các lý thuyết và mô phỏng có thể sẽ là một trong những đóng góp lớn nhất của EHT, Loeb nói. 

Ông nói: “Làm vật lý là đối thoại với tự nhiên. "Chúng tôi kiểm tra ý tưởng của mình bằng cách so sánh chúng với các thử nghiệm; dữ liệu thử nghiệm là rất quan trọng."

Ông và các nhà nghiên cứu khác cho biết các kết quả mới cũng sẽ giúp các nhà khoa học xử lý tốt hơn các lỗ đen. Ví dụ, hình ảnh EHT sẽ có khả năng chiếu sáng đáng kể về cách khí xoắn ốc đi xuống hố đen. Loeb cho biết, quá trình bồi tụ này, có thể dẫn đến việc tạo ra các tia bức xạ mạnh, vẫn chưa được hiểu rõ.

Ngoài ra, hình dạng của chân trời sự kiện có thể tiết lộ liệu một lỗ đen có đang quay hay không, Fiona Harrison thuộc Viện Công nghệ California, nhà điều tra chính của sứ mệnh Mảng Kính viễn vọng Quang phổ Hạt nhân (NuSTAR) nghiên cứu lỗ đen của NASA cho biết.

Harrison, người không thuộc nhóm EHT, nói với Space.com: “Chúng tôi đã gián tiếp suy ra vòng quay của lỗ đen. Hình ảnh EHT cung cấp "một bài kiểm tra trực tiếp, điều này rất thú vị", cô nói thêm.

Dữ liệu của EHT tiết lộ lỗ đen M87 đang quay theo chiều kim đồng hồ, các thành viên trong nhóm cho biết hôm nay. 

Dự án cũng sẽ cho thấy vật chất được phân bố xung quanh lỗ đen như thế nào và các quan sát EHT cuối cùng có thể dạy cho các nhà thiên văn học rất nhiều về cách các lỗ đen siêu lớn định hình sự tiến hóa của các thiên hà chủ của chúng trong quy mô thời gian dài, Harrison nói.

Kết quả của EHT cũng phù hợp với kết quả của Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO), đã phát hiện ra các gợn sóng không-thời gian được tạo ra bởi các vụ hợp nhất liên quan đến các lỗ đen chỉ nặng hơn mặt trời vài chục lần.

Broderick hôm nay cho biết: “Mặc dù có khối lượng thay đổi theo hệ số hàng tỷ, nhưng các lỗ đen đã biết đều phù hợp với một mô tả duy nhất. "Các lỗ đen lớn và nhỏ tương tự nhau theo những cách quan trọng. Những gì chúng ta học được từ [loại] này nhất thiết phải áp dụng cho loại kia."

Và trong trường hợp bạn đang thắc mắc về Sagittarius A*: Nhóm EHT hy vọng sẽ sớm có được hình ảnh về lỗ đen siêu lớn đó, Doeleman cho biết hôm nay. Ông giải thích rằng các nhà nghiên cứu đã xem xét M87 trước tiên và nó dễ giải quyết hơn một chút so với Sagittarius A* vì nó ít thay đổi hơn trong khoảng thời gian ngắn.

Một góc nhìn mới?

Sau đó, có sức hấp dẫn rộng rãi hơn của hình ảnh mới được phát hành - cách nó nói với những người trong chúng ta, những người không phải là nhà vật lý thiên văn. 

Các thành viên nhóm EHT và các nhà khoa học bên ngoài cho biết những đóng góp trong lĩnh vực này có thể rất đáng kể. Những bức ảnh có thể thay đổi cách chúng ta nghĩ về bản thân và vị trí của mình trong vũ trụ, Marrone lưu ý, trích dẫn bức ảnh nổi tiếng "Trái đất" do phi hành gia Bill Anders của tàu Apollo 8 chụp vào tháng 12 năm 1968. Bức ảnh này đã cho đại chúng cái nhìn thoáng qua về hành tinh của chúng ta như nó thực sự là - một tiền đồn đơn độc của sự sống trong biển tối vô tận - được nhiều người ghi nhận là đã giúp thúc đẩy phong trào môi trường.

Việc nhìn thấy một lỗ đen ngoài đời thực - hay hình bóng của nó, dù sao đi nữa - "là chuyện khoa học viễn tưởng," Harrison nói. Và chúng tôi mới chỉ xem một vài bức ảnh đầu tiên của dự án, cô ấy nói thêm: "Chúng sẽ ngày càng tốt hơn."