ChúngTa.com

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.

Bức ảnh đầu tiên về lỗ đen M87

.

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.

8 trạm quan sát tham gia hợp tác chụp ảnh lỗ đen

.

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.

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.

Katie Bouman với chồng ổ cứng chứa 2 tỷ bức ảnh độ phân giải cao với dung lượng gần 5 tỷ megabyte được dùng để tái lập hình ảnh lỗ đen.

.

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 mẩu 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.

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.

Cấu trúc lỗ đen

*

Katie 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.

Katie Bouman với hình ảnh tái lập đầu tiên về lỗ đen.

.

Trong bài nói chuyện trên TED cách đây gần 2 năm, Katie nói rằng ý tưởng của cô sẽ không bao giờ trở thành hiện thực nếu không được tham gia vào nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học xuất sắc đến từ rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Cô cổ vũ mọi người cùng nhau hợp tác để mở rộng ranh giới của khoa học, ngay cả khi thoạt đầu nó có vẻ bí ẩn như lỗ đen, bởi vì những thứ tuyệt vời nhất là những gì chúng ta không nhìn thấy được bằng mắt thường.

*

Clip VTC2 về bức ảnh hố đen được chụp bằng cách nào?

.

Tham khảo

1. Event Horizon Telescope với nhiều giải thích dễ hiểu về dự án chụp ảnh lỗ đen: https://eventhorizontelescope.org

2. Loạt bài báo về chụp ảnh lỗ đen M87 trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters: https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205

3. Thông tin về Katie Bouman: https://people.csail.mit.edu/klbouman

4. Bài nói chuyện của Katie trên TED: https://www.ted.com/talks/katie_bouman_what_does_a_black_hole_look_like

5. https://www.jconline.com/story/news/2019/04/10/first-black-hole-picture-west-lafayette-grad-played-big-part/3426430002/