Đài tiếng nói nhân dân TPHCM
The Voice of Ho Chi Minh City People
  • Các nhà thiên văn học chụp được hình ảnh đầu tiên về lỗ đen như thế nào ?

    (VOH) - Sau hơn một thập kỷ làm việc, hàng triệu đô la tài trợ và tạo ra một kính viễn vọng 'ảo' có kích thước bằng Trái đất, các nhà khoa học đã công bố bức ảnh đầu tiên về một lỗ đen.

    Sự hợp tác của Kính viễn vọng Chân Trời (The Event Horizon Telescope) đã cho ra hình ảnh về lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của M87 và thiên hà Milky Way của chúng ta (SgrA *) tìm thấy bóng tối trung tâm theo Thuyết tương đối rộng, chứng minh thêm sức mạnh của lý thuyết 100 năm tuổi này. 

    Đây là hạt nhân của thiên hà M87 và đây là hình ảnh đầu tiên về lỗ đen mà con người nhìn thấy được, Heino Falcke, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Radboud, Nijmegen, một cộng tác viên của EHT, cho biết trong một cuộc họp báo trực tiếp.

    "Bạn không thể nhìn thấy một lỗ đen, nhưng bạn thực sự có thể nhìn thấy bóng của nó. Đó là khi ánh sáng biến mất sau chân trời sự kiện, tạo ra vùng đó, bóng tối mà chúng ta thấy ở đó".

    Bức ảnh đầu tiên, hết sức ngoạn mục, về lỗ đen nằm ở trung tâm thiên hà Messier 87 (M87) thực ra không phải một tấm hình thông thường được chụp bằng camera. Việc chụp ảnh lỗ đen bằng camera là hoàn toàn bất khả thi vì hai lý do.

    Thứ nhất, lỗ đen hoàn toàn đen đối với camera, bởi không có bất cứ thứ gì, ngay cả ánh sáng, có thể thoát khỏi trường hấp dẫn của nó.

    Thứ hai, cứ giả định rằng lỗ đen phát sáng, M87 quá nhỏ để có thể quan sát được bằng các thiết bị mà loài người hiện có. Tuy mang kích thước tương đương Hệ Mặt Trời với đường kính tới 38 tỷ kilômét và khối lượng gấp 6,5 tỷ lần Mặt Trời, khoảng cách 55 triệu năm ánh sáng từ Trái Đất tới lỗ đen M87 là quá xa. Chụp ảnh M87 giống như cầm điện thoại di động từ Trái Đất để chụp một quả cam trên Mặt Trăng vậy.

    Hình ảnh hố đen đâu tiên được nhìn thấy

    Hình ảnh về Hố đen được xử lý bằng thuật toán

    Để chụp được hình ảnh lỗ đen M87, các nhà khoa học phải sử dụng mạng lưới nhiều kính viễn vọng đặt rải rác trên Trái Đất để ghi lại bức xạ phát ra từ bên ngoài chân trời sự kiện của lỗ đen.

    Với kích thước nhỏ bé của M87, muốn ghi lại đầy đủ bức xạ từ lỗ đen này, về lý thuyết, chúng ta cần một kính viễn vọng khổng lồ với đường kính xấp xỉ đường kính của Trái Đất.

    Ngay cả khi đã kết hợp hàng loạt kính viễn vọng tại nhiều địa điểm, thông tin thu được từ mạng lưới kính viễn vọng này, tuy bao gồm tới 2 tỷ bức ảnh có độ phân giải cao, vẫn chỉ là những mảnh ghép rời rạc, những mẩu thông tin bé xíu về lỗ đen M87.

    Những mảnh ghép rời rạc này không cho chúng ta thấy hình ảnh rõ ràng nào về lỗ đen nếu không có thuật toán xử lý hình ảnh được phát triển chủ yếu bởi một nhà khoa học trẻ: Katie Bouman, cô gái đến từ West Lafayette, bang Indiana.

    Cấu tạo của một lỗ đen vũ trụ

    Cấu tạo của một Hố đen vũ trụ

    Tái lập hình ảnh lỗ đen từ hàng tỷ tấm hình vừa rời rạc, vừa không đầy đủ là một nhiệm vụ vô cùng hóc búa. Hãy hình dung chúng ta chỉ được nghe vài nốt nhạc ngẫu nhiên nhưng phải viết ra toàn bộ một bản giao hưởng. Việc tái lập hình ảnh lỗ đen từ các mẩu dữ liệu còn khó khăn gấp bội khi chưa một ai từng thấy lỗ đen trông như thế nào.

    Chúng ta cũng chưa biết tiên đoán của Einstein về hình dạng xấp xỉ cầu của lỗ đen có chính xác hay không.

    Trong thời gian làm nghiên cứu sinh tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Katie Bouman và cộng sự phát triển nhiều thuật toán khác nhau nhằm xây dựng hình ảnh lỗ đen từ các mẫu dữ liệu.

    Từ một tập hợp dữ liệu rời rạc, không đầy đủ, vô số khả năng khác nhau về hình ảnh lỗ đen có thể được tái lập, giống như nhiều người cùng được nghe vài nốt nhạc ngẫu nhiên chắc chắn sẽ viết ra những bản nhạc hoàn toàn khác nhau.

    Vị trí của các kính thiên văn khi chụp ảnh hố đen

    Vị trí các kính thiên văn khi cùng chụp hình ảnh Hố đen

    Thuật toán của Katie dựng lên tất cả những khả năng có thể có về hình ảnh lỗ đen, sau đó sắp xếp các hình ảnh này theo mức độ khả dĩ. Công việc này giống như đi tìm tấm hình có xác suất cao nhất sẽ xuất hiện trên Facebook giữa một loạt ảnh, trong đó có những tấm hoàn toàn nhiễu không nhìn ra vật gì, có những tấm ít nhiễu hơn nhưng mờ mờ ảo ảo và những tấm mà ta có thể nhận ra tương đối rõ ràng vật thể trong ảnh.

    Tương tự, nếu ta chỉ đưa ra vài dòng mô tả giới hạn về một khuôn mặt cho nhiều họa sĩ ở khắp nơi trên thế giới mà tất cả họ đều vẽ ra cùng một mẫu, khuôn mặt đó có khả năng rất cao chính là khuôn mặt thật.

    Những ảnh chụp lỗ đen M87 mà ta nhìn thấy là kết quả tái lập từ thuật toán của Katie Bouman. Không chỉ ngoạn mục về mặt thị giác, hình ảnh lỗ đen còn cho phép các nhà khoa học tiếp tục kiểm tra tính chính xác của Thuyết tương đối sau ghi nhận về sóng hấp dẫn cách đây 3 năm.

    Phát hiện này cũng mở đường cho các nghiên cứu về lỗ đen Sagittarius A nằm ở trung tâm Dải Ngân Hà của chúng ta, đặc biệt là sự hình thành của các đĩa bồi tụ bao quanh và các luồng tia phát ra từ lỗ đen này.

    Katie Bouman người xây dựng hình ảnh về lỗ đen bằng thuật toán

    Katie Bouman người xây dựng hình ảnh hố đen từ các mẫu dữ liệu

    Katie Bouman sinh ra và lớn lên tại thành phố West Lafayette, bang Indiana. Bố cô, Charles Bouman, là giáo sư Đại học Purdue, nơi Neil Armstrong theo học gần 15 năm trước khi ông trở thành người đầu tiên đặt chân lên Mặt Trăng.

    Theo lời Charles Bouman, con gái ông đã bắt đầu tham gia nghiên cứu về xử lý hình ảnh với các giáo sư ở Purdue ngay từ khi còn học phổ thông tại West Lafayette.

    Sau khi hoàn thành chương trình cử nhân ở Đại học Michigan, Katie lần lượt lấy bằng thạc sĩ và tiến sĩ tại Viện Công nghệ Massachusetts trước khi trở thành nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian.

    Với thành tích nghiên cứu xuất sắc và đóng góp đáng kể vào dự án chụp ảnh lỗ đen, Katie vừa được bổ nhiệm làm giáo sư Viện Công nghệ California (Caltech) khi mới 29 tuổi, ngay trước khi hình ảnh đầu tiên về lỗ đen do cô tái lập được công bố rộng rãi.

    Ba năm trước, cô dẫn dắt một đội ngũ tài năng, nhắm tới việc phát triển thuật toán vẽ lại hình ảnh hố đen. Lúc ấy, Katie mới tốt nghiệp ngành khoa học máy tính và trí tuệ nhân tạo tạo MIT.

    Để chụp được hình hố đen, một mạng lưới các đài thiên văn trên khắp thế giới phải cùng hợp sức, mỗi nơi chụp một góc, liên tục trong khoảng thời gian dài để có được lượng dữ liệu khổng lồ.

    Katie Bouman và ổ đĩa lưu trữ dữ liệu cho dự án xây dựng hình ảnh hố đen

    Katie Bouman và ổ đĩa lưu trữ dự án.

    Cô khiêm tốn nói với CNN: “Không ai trong chúng tôi có thể một mình làm được hết. Có được kết quả này là nhờ rất nhiều người với những câu chuyện rất khác nhau”. Biết vậy, nhưng công sức của Katie Bouman đâu có nhỏ! Chính cô là người đứng sau thuật toán tối quan trọng để dựng được kết quả cuối cùng.

    “Chúng tôi phát triển ra những cách tạo dữ liệu tổng hợp và áp dụng nhiều thuật toán khác nhau, thử nghiệm để xem có tạo ra được hình ảnh hoàn chỉnh không”, Katie Bouman nói.

    “Chúng tôi không chỉ viết nên một thuật toán duy nhất. Chúng tôi muốn phát triển những thuật toán khác nhau để phục vụ những giả định khác nhau về hố đen. Nếu tất cả chúng đều mô tả được một cấu trúc chung, chúng tôi sẽ tự tin rằng mình làm được”.

    Đúng là họ đã làm được, tấm ảnh đánh dấu mốc lịch sử ngành vật lý thiên văn xuất hiện, một phần nhờ có Katie Bouman và những thuật toán của cô.

    Đó là lúc thuật toán của Bouman kết hợp với nhiều thuật toán khác thể hiện sức mạnh. Nhờ những cố gắng của đội ngũ hơn 200 nhà khoa học, họ có được công cụ ghép dữ liệu lại thành một tấm ảnh hoàn chỉnh.

    Suốt những năm qua, đội ngũ cố gắng lọc bỏ những phần dữ liệu “nhiễu”, chính Bouman đứng đầu nhóm xác thực hình ảnh và chọn ra những dữ liệu tối quan trọng.

    Cô gái trẻ bắt đầu công việc trợ lý giáo sư tại Viện Khoa học California vào mùa thu này. Chặng đường khám phá khoa học của cô vẫn dài.

     Video mô phỏng hình ảnh đầu tiên của Hố đen (Nguồn: Veritastium)

    A.Tuấn (T/h)