Nobel Vật lý 2020: Vinh danh những bậc thầy chứng minh 'tiên đoán' của Einstein là đúng!

Chia sẻ Facebook
15/10/2020 00:08:08

Nobel Vật lý 2020 trao cho 3 người có công chứng minh lỗ đen là có thật, giúp mở đường cho các nhà khoa học khác đi tìm bằng chứng tồn tại của nó.


Ngày 10/4/2019 đánh dấu một bước tiến quan trọng trong hành trình giải mã 'quái vật' khổng lồ đó: Lần đầu tiên trong lịch sử chúng ta có được bức ảnh đầu tiên chứng minh sự tồn tại của lỗ đen.

347 nhà khoa học quốc tế đã dành 10 năm để nghiên cứu về lỗ đen. Hàng trăm bộ óc thuộc dự án Kính thiên văn Chân trời sự kiện (EHT) đã dành 2 năm liên tục để thu thập và ghép các dữ liệu ảnh lấy được từ 8 kính thiên văn khổng lồ (thuộc EHT) nằm rải rác khắp hành tinh, để cho ra đời 'cực phẩm' hố đen - chứng minh cho tiên liệu hàng trăm năm của nhà thiên văn học người Anh John Michell (1724-1793) và bác học thiên tài Albert Einstein (1879-1955) lần lượt về ẩn tinh và cấu trúc không-thời gian trong vũ trụ là hoàn toàn đúng đắn (dù thời đó họ chưa có những thiết bị quan sát hiện đại như ngày nay).


NOBEL VẬT LÝ 2020


Tuy nhiên, trước khi có được những nghiên cứu đó, thế giới phải công nhận những đóng góp cơ sở của những nhà khoa học gián tiếp thành lập sự tồn tại của lỗ đen. Giải Nobel Vật lý 2020 vì thế đã ghi nhận và trao tặng giải thưởng danh giá này cho 3 người có công đầu. Họ gồm:


Nhà vật lý toán học người Anh Roger Penrose đã giành được một nửa giải thưởng cho bài báo năm 1965 của ông cho thấy rằng "sự hình thành lỗ đen là một dự đoán đúng đắn mà Albert Einstein đưa ra trong thuyết tương đối rộng" cách đây hơn 100 năm.


Nửa còn lại được trao cho các nhà vật lý thiên văn Reinhard Genzel ( người Đức) và Andrea Ghez (người Mỹ) , những người đã thực hiện những quan sát đột phá "về một vật thể siêu lớn ở trung tâm thiên hà của chúng ta" đầu những năm 2000 - Theo công bố của Ủy ban Nobel về 3 nhà khoa học nhận giải Nobel Vật lý 2020.

Bộ ba nhà khoa học vinh dự nhận giải Nobel Vật lý 2020. Nguồn: Nobelprize

Hàng trăm năm sau những tiên đoán của các nhà khoa học lỗi lạc. Hai thập kỷ sau những nghi ngờ ban đầu về cấu trúc khổng lồ giữa Dải Ngân hà, lần đầu tiên, lỗ đen 'hiện nguyên hình', con người có bằng chứng xác thực nhất về sự tồn tại của nó trong vũ trụ. Hành trình đi tìm hiểu 'quái vật vũ trụ' và vai trò của chúng trong vũ trụ chắc chắn chưa dừng lại ở đây.

Vậy đâu là những kiến thức chúng ta nắm được trong hành trình khám phá lỗ đen còn dài phía trước, và đâu là những vấn đề chúng ta cần làm sáng tỏ về chúng sau này?


LỖ ĐEN LÀ GÌ?

Dù được dự đoán cách đây hàng trăm năm nhưng thuật ngữ "lỗ đen" hay "hố đen" (black hole) xuất hiện lần đầu tiên khi nhà thiên văn học Mỹ John Wheeler (1911-2008), một trong những cộng tác viên cuối cùng của Albert Einstein, đưa ra năm 1967.


Theo đề xuất của Einstein trong thuyết tương đối, lỗ đen là một vùng không-thời gian chứa rất nhiều vật chất bị "nén" trong một vùng không gian cực nhỏ gọi là điểm kỳ dị không-thời gian . Mọi thứ trong điểm kỳ dị này đều bị trường hấp dẫn cực mạnh hút vào, ngay cả ánh sáng đi qua bên trong bề mặt hình cầu của lỗ đen (gọi là chân trời sự kiện ) cũng không quay trở lại được.

Hình ảnh hố đen do kính EHT chụp được, được các nhà khoa học cung cấp hôm 10/4/2019. Nguồn: EHT collaboration

Nếu định nghĩa này còn quá mơ hồ, hãy hiểu đơn giản thế này. Lỗ đen giống như một tờ giấy được kéo căng thành một cái phễu. Khi bị hút vào miễng phễu, bạn sẽ không thể leo trở lại. Hơn nữa, hãy cố gắng hình dung cái phễu theo ba chiều, nơi vật chất vũ trụ bị hút vào trong từ mọi hướng về điểm trung tâm.

Để hình dung về trường hấp dẫn cực mạnh của lỗ đen, đây là bức tranh để bạn hình dung: Có một lõi sao dày đặc, khối lượng gấp nhiều lần Mặt Trời, bị nén vào một phạm vi có kích thước chỉ bằng một thành phố thì tất yếu sinh ra một lực hấp dẫn "điên cuồng", hút mọi thứ trong vũ trụ, từ đó gia tăng sức mạnh của nó trong không gian.

Đó mới chỉ là kiến thức ban đầu mà con người nắm được ở phần bên ngoài của lỗ đen. Bí mật thực sự của lỗ đen nằm ở bên trong chúng. Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein dự đoán rằng độ cong của không-thời gian trở nên vô hạn trong một điểm kỳ dị của lỗ đen, nhưng điều này là không thể về mặt vật lý.

Điều này có nghĩa là, những đối tượng vũ trụ dạng này cho thấy vật lý lý thuyết của con người chưa đầy đủ để giải thích sự tồn tại của chúng. Các nhà vật lý cho rằng họ sẽ phải đưa ra một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn để hiểu được các điểm kỳ dị của lỗ đen.


LỖ ĐEN HÌNH THÀNH NHƯ THẾ NÀO?

Lỗ đen hình thành khi vật chất hoặc năng lượng được kết tụ với nhau đủ dày. Mật độ như thế nào là 'đủ dày'?

Để hình thành một lỗ đen, Trái Đất sẽ phải thu nhỏ lại thành một hình cầu nhỏ hơn một quả bóng bàn.

Mặc dù những lỗ đen nhỏ như vậy có thể đã hình thành trong vụ nổ Big Bang (đây là những thực thể giả định được gọi là "lỗ đen nguyên thủy", có thể bao gồm vật chất tối bị thiếu của vũ trụ ), nhưng những cái được quan sát thấy trong vũ trụ ngày nay lớn hơn.


Chúng thường hình thành khi các ngôi sao nặng hơn Mặt Trời ít nhất 10 lần (khối lượng khi Mặt Trời đã hết nhiên liệu). Với áp suất bức xạ bên ngoài không còn khả năng chống lại sự dao động bên trong của trọng lực, lõi của ngôi sao sẽ sụp đổ vào bên trong - một sự kiện thường đi kèm với một vụ nổ lớn được gọi là siêu tân tinh .

Di chuyển đến đâu, lỗ đen cũng có thể nuốt chửng vật chất trên đường đi, khiến nó ngày càng lớn. Ảnh minh họa lỗ đen: Internet

[TIKI] SIÊU THỊ TÃ BỈM - QUÀ XINH CHO BÉ

Với những siêu lỗ đen, như lỗ đen có khối lượng 4 triệu Mặt Trời có tên là Sagittarius A * [phát âm là sao A] mà Reinhard Genzel, Andrea Ghez và các nhóm của họ đã nghiên cứu ở trung tâm của Dải Ngân hà - các nhà khoa học có ít thông tin hoặc hiểu biết về chúng hơn.

Quái vật khổng lồ này có lẽ đã hình thành trong vòng nhiều tỷ năm đầu tiên của vũ trụ, khi các thiên hà hình thành xung quanh chúng.

Nhưng liệu chúng có bắt đầu như những ngôi sao sụp đổ thành lỗ đen và sau đó lớn lên bằng cách "kiếm ăn" các vật chất trong vũ trụ; hay hình thành từ sự sụp đổ trực tiếp của các túi plasma khổng lồ - hay theo một cách nào đó - vẫn là một câu hỏi mở.

Trong những năm tới, những quan sát của Kính viễn vọng Không gian James Webb về các thiên hà rất xa và rất trẻ có thể giải được những câu hỏi này.


ĐÓNG GÓP CỦA ROGER PENROSE LÀ GÌ?

Roger Penrose đã có đóng góp quan trọng của mình vào năm 1965, không lâu sau khi phát hiện ra các vật thể siêu sáng được gọi là chuẩn tinh. Những vật thể này sáng đến mức các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng chúng có thể là tia sáng của vật chất rơi vào những vật thể siêu nhỏ, siêu khối lượng.

Trước đó, câu hỏi các lỗ đen chỉ là một hiện vật toán học của lý thuyết Einstein, hay chúng thực sự hình thành trong vũ trụ, đã tồn tại qua rất nhiều thập kỷ mà chưa một ai giải đáp được.

Nhà vật lý toán học người Anh Roger Penrose nhận thấy rằng chúng có thể là một thực thể vũ trụ. Đây là cách ông chỉ ra...

Trước hết, tính vào thời điểm đó, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm hiểu xem liệu những vật thể giống như "nghiệm Schwarzschild"* trong các phương trình của Einstein - loại lỗ đen đơn giản nhất, được nhà vật lý người Đức Karl Schwarzschild (1873-1916) nghiên cứu trên giấy vào năm 1916 - có thực sự khả thi trong tự nhiên hay không.

(*) Nghiệm Schwarzschild là trường hấp dẫn bên ngoài khối vật chất không quay, như lỗ đen.


Các giải pháp lý thuyết như vậy chỉ được nghiên cứu dưới giả thiết đơn giản hóa rằng vật liệu bị suy sụp hấp dẫn [ Gravitational collapse, là hiện tượng co nén cực nhanh của các vật thể có khối lượng lớn (thiên thể) dưới tác dụng của lực hấp dẫn] là một hình cầu hoàn hảo.

Lỗ đen do EHT chụp được nằm trong thiên hà khổng lồ Messier 87, gần cụm thiên hà Xử Nữ, cách chúng ta 53 triệu năm ánh sáng.

Lỗ đen siêu lớn này có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, kích cỡ gần bằng dải Ngân Hà của chúng ta, rộng 38 tỷ km (tương đương 1,5 ngày ánh sáng).

Câu hỏi đặt ra là liệu điểm kỳ dị thu được có đơn giản chỉ là một tạo tác của tính đối xứng cầu hoàn hảo đó hay không - điều có thể xảy ra trên giấy, nhưng về bản chất là phi lý.

Roger Penrose đã chỉ ra rằng, như ông đưa ra trong bài báo năm 1965 của mình, "những sai lệch so với đối xứng cầu không thể ngăn cản sự hình thành các điểm kỳ dị không-thời gian".

Nói cách khác, ngay cả khi một ngôi sao bị bóp méo, nó vẫn sẽ sụp đổ xuống một điểm. Ông đã chỉ ra điều này bằng cách đưa ra khái niệm "bề mặt bị mắc kẹt" (trapped surface), cũng như một biểu đồ nổi tiếng hiện nay để phân tích cách bề mặt nằm trong không-thời gian.

Không giống như một bề mặt thông thường, có thể có các tia sáng bắn ra khỏi nó theo bất kỳ hướng nào, một bề mặt bị mắc kẹt là một bề mặt hai chiều khép kín - ngay cả khi bị bóp méo để nó không còn là hình cầu - chỉ cho phép các tia sáng đi theo một hướng: Về phía điểm trung tâm.


Roger Penrose phát hiện ra rằng các chiều không gian và thời gian chuyển đổi vai trò bên trong một bề mặt bị mắc kẹt. Thời gian là hướng chỉ về trung tâm, vì vậy việc thoát ra khỏi một lỗ đen là điều không thể. Roger Penrose, cùng với Stephen Hawking, đã sớm chỉ ra rằng một phân tích tương tự áp dụng cho toàn bộ vũ trụ: Một điểm kỳ dị chắc chắn sẽ tồn tại khi vật chất và năng lượng tập trung dày đặc vào nhau trong Vụ nổ lớn (Big Bang).


QUAN SÁT LỖ ĐEN BẰNG CÁCH NÀO?


Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT) sử dụng một mạng lưới kính thiên văn toàn cầu để quan sát, ở độ phân giải cao đáng kinh ngạc, vòng sáng ngay bên ngoài chân trời sự kiện của lỗ đen siêu lớn. Nhưng những quan sát trực tiếp như vậy mới chỉ xảy ra trong 5 năm qua.

Bắt đầu từ những năm 1960, các nhà thiên văn học bắt đầu quan sát lượng năng lượng khổng lồ được giải phóng bởi các vật thể ở xa được gọi là chuẩn tinh. Các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng chuẩn tinh thực sự là các lỗ đen siêu lớn đang kéo theo một lượng khí và bụi khổng lồ. Cũng trong khoảng thời gian đó, các kính thiên văn đã phát hiện ra tia X đến từ những ngôi sao đáng lẽ không thể tự tạo ra bức xạ. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu kết luận rằng các lỗ đen đồng hành vô hình phải hút đi vật chất của các ngôi sao và tạo ra ánh sáng.

8 kính thiên văn rải rác trên thế giới, thực hiện nhiệm vụ chụp lỗ đen trong thiên hà khổng lồ Messier 87.

Đối với lỗ đen ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta, dấu hiệu đầu tiên về sự hiện diện của nó được phát hiện vào năm 1931, khi nhà thiên văn học người Mỹ Karl Jansky (1905-1950) quan sát thấy một tín hiệu vô tuyến đến từ hướng của chòm sao Nhân Mã.

Sau đó vào năm 1974, các nhà thiên văn học vô tuyến Bruce Balick và Robert Brown đã xác định được chính xác vật thể sáng và nhỏ gọn trong trung tâm thiên hà được gọi là Nhân Mã A *.

Các quan sát sâu hơn vào những năm 1990 đã xây dựng thêm bằng chứng về sự hiện diện của vật thể siêu nặng trong các trung tâm thiên hà, nhưng công nghệ tốt hơn và các chiến lược quan sát thông minh mới là cần thiết trước khi các nhà thiên văn có thể chứng minh một cách dứt khoát rằng tại trung tâm dải Ngân hà là lỗ đen siêu lớn.

GENZEL VÀ GHEZ CHỨNG MINH SGR A* LÀ LỖ ĐEN SIÊU LỚN RA SAO?

Họ đã theo dõi chuyển động của các ngôi sao bay rất gần. Nếu Sagittarius A * là một cụm vật chất mở rộng, thì các ngôi sao đi qua sẽ bị kéo từ nhiều hướng và quỹ đạo kết quả của chúng sẽ không đáng kể. Nhưng nếu nó là một lỗ đen siêu lớn thì các ngôi sao sẽ lao đi với tốc độ cao.

Kính thiên văn thiếu độ phân giải không gian cần thiết để theo dõi các quỹ đạo này đủ chính xác cho đến năm 1990. Cả hai nhóm của họ đã đi tiên phong trong các phương pháp tiếp cận để xóa mờ bầu khí quyển của Trái Đất. Nhóm của Ghez đã sử dụng Đài quan sát Keck ở Hawai'i và nhóm của Genzel làm việc với Kính thiên văn rất lớn ở Chile.

Kỹ thuật đầu tiên - được gọi là chụp ảnh đốm - loạt các kỹ thuật chụp ảnh thiên văn có độ phân giải cao dựa trên việc phân tích số lượng lớn các khoảng phơi sáng ngắn làm đóng băng sự biến đổi của nhiễu động khí quyển.

Trong quang học thích ứng, tia laze được chiếu vào bầu trời đêm, tạo ra một "ngôi sao nhân tạo" được kính thiên văn chụp ảnh đồng thời. Ngôi sao nhân tạo tiết lộ chính xác cách bầu khí quyển làm biến dạng hình ảnh.

Cả hai đội cùng tham gia vào một ngôi sao cụ thể tên là S2, có quỹ đạo bay qua trong vòng ném của Sagittarius A *.


Vào đầu những năm 2000, quỹ đạo của S2, cùng với quỹ đạo của một số ngôi sao gần khác, chỉ ra rằng kích thước của Sagittarius A * nhỏ hơn 125 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời mặc dù nó chứa 4 triệu khối lượng Mặt Trời. Và như thế, nó chỉ có thể là một lỗ đen siêu lớn.

[SENDO] SIÊU VOUCHER TRẢ GÓP 0%


Sheperd Doeleman, Giám đốc dự án Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) cho biết: Bức ảnh về lỗ đen là một bước tiến vĩ đại nhưng vẫn có thể được hoàn thiện thêm để trở nên sắc nét hơn nữa. Ngoài ra, tham vọng của các nhà khoa học là có được hình ảnh rõ nét của siêu hố đen nằm ngay trung tâm Dải Ngân Hà của chúng ta - Sagittarius A * .

Bên cạnh việc cải tiến và nâng cấp hệ thống kính thiên văn, các nhà khoa học cũng đang tập trung vào một hướng nghiên cứu khác là quan sát và tìm hiểu những luồng hạt bức xạ có năng lượng cực lớn và vận tốc cực cao gần bằng vận tốc ánh sáng được phát ra từ rìa hố đen.

Trong hành trình khám phá vũ trụ, hố đen, người ngoài hành tinh, các Siêu Trái Đất... vẫn là những vùng đất chưa được nhân loại khai hoang.

Việt hóa: Aozora


Bài viết sử dụng nguồn: Quanta Magazine, N obelprize


* Đọc bài cùng tác giả Trang Ly tại đây .

Chia sẻ Facebook
loading...