Hố đen đầu tiên được chụp như thế nào với 5 petabyte dữ liệu và 8 kính thiên văn?

Ngày 10/4/2019, thế giới lần đầu tiên nhìn thấy hình ảnh của một hố đen. Đó là hố đen siêu khối lượng M87*, nằm tại trung tâm thiên hà Messier 87, cách Trái Đất khoảng 55 triệu năm ánh sáng và có khối lượng tương đương 6,5 tỷ Mặt Trời. Nhưng điều đáng kinh ngạc là các nhà khoa học thực ra không “chụp” hố đen theo cách một chiếc máy ảnh chụp một vật thể.

Ảnh: apod.nasa

Hố đen vốn không phát ra ánh sáng, vì vậy không thể nhìn thấy trực tiếp. Thứ mà các nhà thiên văn tìm kiếm là “cái bóng” của nó: một vùng tối nằm giữa quầng sáng do khí và vật chất cực nóng đang quay với tốc độ khủng khiếp xung quanh. Ánh sáng ở vùng này bị trường hấp dẫn cực mạnh bẻ cong và một phần bị hố đen nuốt vào. Chính vì thế, hình ảnh nổi tiếng năm 2019 là hình ảnh của bóng hố đen được bao quanh bởi vùng phát xạ sáng.

Để nhìn thấy cấu trúc đó từ khoảng cách hàng chục triệu năm ánh sáng, một kính thiên văn thông thường là hoàn toàn không đủ. Các nhà khoa học của Event Horizon Telescope (EHT) đã biến nhiều kính thiên văn vô tuyến trên Trái Đất thành một “kính thiên văn ảo” bằng kỹ thuật giao thoa đường cơ sở rất dài. Mỗi trạm quan sát M87* cùng lúc và ghi lại tín hiệu vô tuyến ở bước sóng khoảng 1,3 mm. Khoảng cách giữa các kính thiên văn càng lớn, khả năng phân giải càng cao.

Ảnh: bigthink

Có một chi tiết đặc biệt thú vị: 8 trạm quan sát của EHT phải đồng bộ thời gian với độ chính xác cực cao bằng đồng hồ nguyên tử. Dữ liệu từ 4 ngày quan sát vào tháng 4/2017 sau đó được lưu trên các ổ đĩa máy tính. Tổng khối lượng dữ liệu lên tới khoảng 5 petabyte, lớn đến mức không thể đơn giản gửi qua Internet. Các ổ đĩa phải được vận chuyển vật lý tới những trung tâm xử lý dữ liệu, nơi tín hiệu từ các kính thiên văn được đồng bộ và kết hợp lại.

Nhưng ngay cả khi có dữ liệu, các nhà khoa học vẫn chưa có một “bức ảnh” hoàn chỉnh. Họ phải sử dụng những phương pháp toán học và thuật toán xử lý ảnh để tái dựng hình dạng của nguồn phát xạ từ các tín hiệu rời rạc. Nhiều phương pháp độc lập được áp dụng và cho kết quả nhất quán: một vòng sáng không đối xứng bao quanh một vùng tối ở trung tâm. Chính sự lặp lại của kết quả qua nhiều phương pháp đã giúp nhóm nghiên cứu tin tưởng rằng họ thực sự đang nhìn thấy bóng của M87*.

Ảnh: spitzer.caltech.edu

Vì vậy, bức ảnh màu cam nổi tiếng không phải là một tấm ảnh được chụp trực tiếp bằng máy ảnh. Nó là kết quả cuối cùng của một chuỗi công việc kéo dài từ quan sát vô tuyến, đồng bộ bằng đồng hồ nguyên tử, vận chuyển hàng tấn dữ liệu, xử lý tín hiệu, thuật toán tái dựng hình ảnh cho tới việc kiểm chứng bằng các mô hình vật lý.

Và có lẽ điều kỳ diệu nhất nằm ở chỗ: những gì con người nhìn thấy trong bức ảnh ấy là ánh sáng đã vượt qua không gian khoảng 55 triệu năm, mang theo dấu vết của vật thể nơi ánh sáng không thể thoát ra.

Giống cừu kỳ lạ với bốn sừng cong đối xứng và gần như không có đuôi