Phác họa bài post:
Etymology: Vì
sao có tên là Black Hole?
Black Hole là
gì?
Phát hiện Black
Hole bằng cách nào?
Bằng chứng về sự
tồn tại của Black Hole?
Chụp ảnh Black
Hole.
Nghịch lý.
-
Nhân việc năm
nay giải Nobel vật lý trao cho 3 nhà khoa học là ông Roger Penrose (một
nửa giá trị giải), ông Reinhard Genzel và bà Andrea Ghez (cùng
chia nhau một nửa còn lại của giải) đều liên quan đến “Black Hole” nên xin phép
anh/chị “Google Search”, “Google Translate” từ khóa “Black
Hole” 🕳️, sắp xếp, đánh số và “Post” lên ICT_VN để phục vụ
anh/chị nhâm nhi cà phê.
🕳️
ⓐ Từ nguyên (Etymology): về việc
dùng cụm từ “Black Hole”. Đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý dùng từ “dark star”
(sao đen) hoặc cụm từ “gravitationally collapsed object” (vật thể chập bởi lực
hấp dẫn) để chỉ hiện tượng “black hole”. Hồi đó họ chưa tìm ra được từ “đẹp”
như vậy. Mãi đến cuối những năm 60 thì các bài báo khoa học mới bắt đầu thống
nhất dùng cụm từ này. Dịch ra tiếng Việt là “lỗ đen”, “hố đen” hoặc “hốc đen”.
Xin phép anh/chị tôi dùng từ nguyên từ “Black Hole” cho bài post này để tỏ lòng
tôn trọng đối với việc tìm tòi và tiến hóa của cách dùng từ trong các xuất bản
khoa học, công nghệ. (Từ ngữ trong khoa học được sử dụng một cách thống nhất,
chuẩn hóa có thể coi là một công trình khoa học.)
🕳️
ⓑ Vậy “Black Hole” là gì? Black Hole là một
vùng không – thời gian (spacetime) mà ở đó có lực hấp dẫn lớn tới mức mọi
thứ bị hút vào tâm của nó, kể cả ánh sáng. Bởi vì ánh sáng đến vùng đó “một đi
không trở lại” nên chúng ta chả nhìn thấy cái gì cả! (Chú ý: chúng ta
quan sát được một vật thể là nhờ có ánh sáng từ vật thể đó đập vào mắt chúng
ta. Còn nếu vật thể đó không có ánh sáng đập vào mắt chúng ta thì ta coi vật thể
đó như một điểm đen).
① Trong
thuyết tương đối rộng của Einstein, phương trình trường Einstein là một hệ gồm
10 phương trình. Khi giải hệ phương trình này, một số người đã tiên đoán có hiện
tượng “black hole”. Vậy mà chính bản thân Einstein lại nghi ngờ hiện tượng này!
② Trong
một thời gian dài, nhiều người cho rằng “black hole” chỉ là kết quả suy diễn về
mặt lý thuyết từ hệ phương trình trường Einstein. Tuy nhiên, vẫn có một số ít
các nhà vật lý kiên trì đeo đuổi ý tưởng chứng minh “black hole” là có thật.
Năm 1965, Roger Penrose (người vừa đoạt giải Nobel vật lý năm 2020) có một bài
báo với tựa đề “Gravitational Collapse and Space-Time Singularities” chứng
minh “black hole” là có thật! (Thưa anh/chị, khoa học là một dãy các “tiên đề”,
“giả thuyết”, rồi chứng minh theo các tiên đề và giả thuyết đã cho. Đấy, làm
khoa học chỉ đơn giản vậy thôi!)
🕳️
ⓒ Nếu ánh sáng không thể phát ra từ “black
hole”, thì làm sao người ta biết nó ở đâu, làm sao mà quan sát được? Đây là một
câu hỏi tự nhiên được đặt ra, đúng không ạ? Đến đây, chúng ta phải áp dụng
nguyên tắc “nghe hơi nồi chõ”! 😊 Nghĩa là chúng ta “nghe” hơi phát ra từ
nồi mà “đoán”, “thẩm định” chất lượng ở trong nồi.
① Sau
khi một “black hole” được hình thành thì bao quanh, sát biên “black hole” là một
“event horizon” (chân trời sự kiện). Chúng ta có thể hiểu nôm na rằng “event
horizon” là cái bóng của “black hole”. Mọi vật chất khi bước qua “event
horizon” là lập tức bị hút vào tâm của “black hole” và biến mất – gọi là hiện
tượng mất thông tin. Như vậy, khối vật chất của “black hole” càng ngày càng đặc.
Liệu có phát hiện ra “black hole” nhờ cái bóng của nó không? Theo thuyết lượng
tử thì vùng “event horizon” có bức xạ Hawking nhưng sự thay đổi nhiệt độ do bức
xạ này sinh ra cũng chỉ là một vài phần triệu độ Kelvin. Vì vậy, nếu chỉ dựa
vào hiện tượng này thì chúng ta không thể phát hiện ra “black hole”.
② Tại
tâm của “black hole” là điểm “Singularity”, theo thuyết tương đối rộng thì tại
điểm này không-thời gian là vô tận. Tại điểm này, vật chất có độ cô đặc bằng vô
cùng! Có thể hiểu một cách nôm na là tại điểm này thời gian “ngừng trôi”. Đã bảo
là khi vật chất bước qua “event horizon” là mất hết thông tin thì làm sao lại
dám khẳng định tính chất của điểm “Singularity”? Thưa anh/chị, đó là do người
ta suy luận ra theo tổ hợp 10 phương trình trường Einstein (tất nhiên, chúng ta
phải giả thiết rằng “thuyết tương đối rộng của Einstein là đúng”). Giỏi toán có
lợi thế đấy! (À, nhân tiện tôi xin nói thêm với anh/chị: Roger Penrose là nhà
toán học.)
③ Phía
bên ngoài, gần sát với “event horizon” xảy ra hiện tượng gì? Tại đây, vật chất,
thiên thạch, các ngôi sao quay quanh “black hole”. Việc này cũng giống như Trái
Đất quay quanh Mặt Trời. Điểm khác biệt là ở chỗ tốc độ quay quanh nhanh hơn
nhiều: đối với các “black hole” siêu khối lượng, tốc độ của vật chất quay quay “black
hole” gần bằng tốc độ ánh sáng, vật chất cọ xát vào nhau tạo ra nhiệt độ lên tới
hàng tỷ độ. Điểm rất đáng chú ý của hiện tượng này là chúng “phát sáng”
rực rỡ (phát ra tia X)! Ơ-rê-ka, đây là chìa khóa của vấn đề, điều này cho
phép các nhà thiên văn quan sát được “black hole”!
Ngược lại, nếu một “black hole” ở cách xa các vì sao khác, nằm ở giữa “ốc đảo”
của vũ trụ, xung quanh rỗng thì chúng ta hoàn toàn “bó tay” vì xung quanh
“black hole” không xảy ra hiện tượng cọ xát, không phát sáng.
④ Có
nhiều “black hole” không? Theo NASA, cứ một ngôi sao trong vũ tụ tắt đi sẽ có một
“black hole” xuất hiện! Các nhà thiên văn chia “black hole” thành 2 loại: loại
“bé con” và loại “siêu khủng”. Loại “bé con” thì riêng trong dải
Ngân Hà Milky Way của chúng ta có khoảng 1 tỷ. Loại này có kích thước khoảng 10
– 24 lần khối lượng Mặt Trời. Loại “siêu khủng” có khối lượng từ hàng triệu lần
khối lượng Mặt Trời trở lên.
⑤ Một trong các lý do vì sao không thấy
các “black hole” cỡ vừa, theo suy diễn của các nhà thiên văn, có thể do
các “black hole” cỡ vừa chập vào nhau để tạo thành các “black hole” cỡ siêu khủng.
🕳️
ⓓ Bằng chứng đâu? Đây là một câu hỏi khó,
đúng không ạ. Mà đối với các vấn đề vật lý thì phải đưa ra bằng chứng thực nghiệm
mới thuyết phục.
Vào đầu năm
2016, cũng trên diễn đàn này, tôi đã nhàn đàm cùng anh/chị rằng ngày 11 tháng 2
năm 2016, người phát ngôn của Đài thiên văn LIGO (Laser Interferometer
Gravitational-wave Observatory) thông báo là họ đã phát hiện được sóng hấp
dẫn (gravitational wave) từ vụ chập 2 “black hole” cách Trái Đất 1.3 tỷ
năm ánh sáng. Thời điểm phát hiện là 09:51 UTC ngày 14 tháng 9 năm 2015.
Năm sau (năm 2017), những người đại diện cho nhóm nghiên cứu này đã nhận được
giải Nobel Vật lý, bao gồm các nhà khoa học Rainer Weiss, Barry
Barish và Kip Thorne.
Nhân tiện, tôi
xin nhắc lại cách LIGO đo sự co giãn của không gian khi sóng hấp dẫn đi qua
trái đất: (anh/chị nào không quan tâm chi tiết xin bỏ qua đoạn sau).
⦿ Họ
xây 2 đài thiên văn giống hệt nhau và cách nhau hơn 3 nghìn km, một ở
Livingston, bang Louisiana và một ở Hanford, bang Washington (Hoa Kỳ). Tại mỗi
đài thiên văn họ xây 2 đường ống chân không hình chữ L, mỗi ống dài 4 km.
⦿ Vì
sao họ xây 2 đài giống hệt nhau cách nhau 3 nghìn km? Vì nếu 1 trong 2 đài phát
hiện có sóng hấp dẫn đi qua thì kết quả giống hệt phải được phát hiện ở đài
kia. Họ làm như vậy là để loại trừ khả năng bị “nhiễu tại chỗ” của 1 trong 2
đài. Nhiễu tại chỗ có thể là rung chấn động đất, tiếng “ồn” công nghiệp, …
⦿ Họ
phát hiện có sóng hấp dẫn đi qua bằng cách nào? Theo nguyên tắc thì khi có sóng
đi qua 1 ống chân không của chữ L sẽ giãn ra và ống kia sẽ co lại. Từ góc vuông
của chữ L họ phát 1 chùm tia laser tách thành 2 góc vuông nhau chạy dài theo đường
ống chân không. Cuối mỗi ống chân không có 1 chiếc gương phản chiếu và chùm tia
laser đó sẽ quay trở lại điểm xuất phát. Nếu 2 chùm tia laser quay trở lại cùng
một thời điểm thì chẳng có chuyện gì xảy ra cả, còn nếu lệch nhau thì chứng tỏ
đã có sóng hấp dẫn đi qua! Đơn giản là vậy 😊.
⦿ Nhân
tiện, nói thêm về cách đầu tư của họ. Nguồn lực họ đổ ra không hề nhỏ: thời
gian: 40 năm, nhân lực: 1.000 nhà khoa học, tài chính: tiền đầu tư trên 1 tỷ đô
la. Sau khi có kết quả gây chấn động như thế nhưng họ vẫn phải ra điều trần trước
Ủy ban Khoa học, Không gian và Công nghệ - Quốc hội Hoa Kỳ. (Đầu tư minh bạch.)
Sau lần đầu
tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn, tính đến tháng 12/2018, người ta đã phát hiện
thêm 11 lần có sóng hấp dẫn đi qua Trái Đất, trong đó 10 lần là do chập 2
“black hole” và lần còn lại là do chập 2 sao neutron.
🕳️
ⓔ Bây giờ chúng ta bàn đến chuyện chụp ảnh
“black hole”. Chú ý rằng LIGO chỉ “nghe” được sóng hấp dẫn lúc 2 “black hole”
chập vào nhau, chứ chưa xem được “mặt mũi” “black hole” ra làm sao cả. Hiển
nhiên, nếu hiểu đúng “black hole” chỉ là một hố đen ngòm thì bức ảnh có chụp được
cũng chả mấy hấp dẫn. Cái ảnh mà tôi đề cập ở đây là ảnh của “black hole” Messier
87 (M87) do dự án Event Horizon Telescope (dự án EHT) công bố ngày 10/04/2019.
M87 có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, cách Trái Đất khoảng 55
triệu năm ánh sáng. So với các ngôi sao trong hệ Mặt Trời thì M87 có chu vi khoảng
bằng vòng quay của sao Neptune (sao Hải Vương). Sao Neptune phải mất 200 năm để
quay hết một vòng quanh Mặt Trời. Do khối lượng của M87 quá lớn nên các ngôi
sao, thiên thạch quay quanh nó với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng nên chỉ mất
chưa đến 1 tuần là quay hết một vòng quanh M87!
① Từ Trái Đất, chụp ảnh M87 giống như chụp
ảnh một quả cam trên Mặt Trăng! Với các kính viễn vọng (Telescope) hiện đại nhất
hiện nay, việc chụp ảnh M87 là bất khả thi. Người ta tính ra rằng để chụp được ảnh
M87, đĩa của kính viễn vọng cần to khoảng bằng Trái Đất!
② Cách để phóng to kính viễn vọng là làm
kính viễn vọng ảo (virtual telescope). Kỹ thuật này có tên gọi là Very Long
Baseline Interferometry (tạm dịch: Giao thoa kế đường cơ sở rất dài). Đây
là phương thức dùng đồng thời nhiều kính viễn vọng ở cách xa nhau cùng nhận tín
hiệu từ vật thể muốn “chụp ảnh”. Để đồng bộ thời gian, người ta dùng đồng hồ
nguyên tử ở tất cả các điểm đo. Dữ liệu đo được tại các điểm sau đó sẽ được tập
trung về một chỗ và ghép các ảnh vụn thành một ảnh to, ảnh tổng thể.
③ Muốn
ảnh có độ phân giải cao, ảnh mịn thì tần số đo phải càng cao. Tần số đo của dự
án EHT là 64 Gb/s.
④ Dự
án EHT sử dụng 8 kính viễn vọng đặt tại 8 địa điểm gồm: Hawaii, California,
Arizona, Mexico, Pháp, Tây Ban Nha, Chile và Nam Cực.
⑤ Tại
mỗi địa điểm, lượng dữ liệu ghi được là khoảng 900 TB (terrabyte = 10^12 byte),
nằm trong 1 nghìn đĩa cứng, tổng dung lượng là 1 PB (petabyte = 10^15 byte). Vì
dung lượng quá lớn nên dữ liệu không truyền được qua Internet mà phải vận chuyển
bằng đường hàng không, chuyển về MIT Haystack Observatory (Massachusetts – Hoa
Kỳ). Tại đây người ta sử dụng một mạng máy tính lưới đặc biệt gồm 800 CPU để
ghép ảnh.
⑥ Thuật
toán nào dùng để ghép các “ảnh vụn” thành một ảnh to? Chắc là anh/chị trong giới
ICT hẳn phải tò mò. Câu chuyện này khá thú vị.
⦿
Năm 2016, một nữ tiến sỹ trẻ
tên là Katherine L. Bouman (sinh năm 1990) cùng với cộng sự, viết một bài báo với
tựa đề là “Computational Imaging for VLBI Image Reconstruction” và đặt
tên thuật toán là CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction
using Patch priors - Tái tạo hình ảnh độ phân giải cao liên tục bằng cách sử
dụng miếng vá). Bouman thời đó xuất hiện trên truyền thông đại chúng rất nhiều
(hình như có cả báo chí tại Việt Nam). Anh/chị có thể xem video này để nghe
talk show của Bouman: https://www.youtube.com/watch?v=BIvezCVcsYs
⦿
Tuy nhiên, khi kiểm tra lại
trang EVH trên Wikipedia, tôi thấy thuật toán cuối cùng mà dự án đã chọn là thuật
toán regularized MLE (Maximum likelihood estimation - Ước lượng hợp lý cực
đại) do nhà toán học R. A. Fisher đề xướng trước năm 1922 và thuật toán CLEAN
do Jan Högbom đề xướng vào năm 1974.
~~~
💡
Ý tưởng đáng chú ý của thuật toán CHIRP là Bouman lập website về data set, về
training data và testing data cho phép áp dụng Machine Learning để huấn luyện dữ
liệu thu được.
💡
Ý tưởng chính của thuật toán MLE là dùng suy diễn xác suất thống kê, ước lượng
giá trị tham số của một mô hình xác suất dựa trên những dữ liệu quan sát được.
💡
Ý tưởng chính của thuật toán CLEAN là: lặp đi lặp lại tìm giá trị cao nhất
trong hình ảnh và trừ đi một mức tăng nhỏ của nguồn điểm được đối chiếu với hàm
lan truyền điểm ("chùm tia bẩn") của dữ liệu quan sát được, cho đến
khi giá trị cao nhất nhỏ hơn một ngưỡng. (Đây là phép “chập” (convolution)
được dùng trong mạng nơ ron CNN - Convolutional Neural Networks.)
⑦ Để
tăng độ tin cậy, người ta lập 4 nhóm độc lập cùng dựng ảnh của M87. Các nhóm
không được liên lạc với nhau để tránh hiện tượng nhóm này bị tác động của nhóm
kia.
⑧ Cuối
cùng, sau hơn một thập niên vận hành, dự án EHT cũng đã cho ra được bức ảnh của
M87. Xem bức ảnh ở dưới, anh/chị đừng quá thất vọng nhé! Kể ra, người ta cũng cầu
kỳ quá nhỉ 😊.
🕳️
ⓕ Đến lúc này, chúng ta có lẽ cứ coi như
chấp nhận “black hole” là có thật đi. Việc này dẫn đến một số “nghịch lý” khó
hiểu:
⦿ “Black
hole” bức xạ nhiệt (theo Hawking). Khi bức xạ nhiệt, theo định luật bảo toàn
năng lượng thì “khối lượng” của nó sẽ nhỏ dần. Tuy quá trình này diễn ra vô
cùng chậm, nhưng đến một lúc nào đó, về mặt nguyên tắc, “black hole” sẽ biến mất!
⦿ Nghịch lý
“mất thông tin” (Information loss paradox). Theo thuyết lượng tử (Quantum
Theory) thì thông tin không thể bị phá hủy (information is
indestructible). Thông tin được hiểu là thông tin về kiến trúc của các hạt
để tạo nên vật chất. Ví dụ, chúng ta đốt một tờ giấy, tờ giấy bốc cháy thành
tro. Về mặt nguyên tắc, vũ trụ lưu thông tin của quá trình này. Nếu chúng ta có
cách nào đó “đọc” được thông tin vũ trụ đã lưu lại, chúng ta có thể tái tạo lại
tờ giấy từ tro! Về mặt lý thuyết, chúng ta có thể “đọc” lại lịch sử của vũ trụ
kể từ vụ nổ Big Bang! Tuy nhiên, “black hole” lại khác, khi vật chất bước qua
“event horizon”, nó hủy hết mọi thông tin. Một “black hole” chỉ để lại cho
chúng ta 3 thông tin: khối lượng, điện tích và mômen động lượng của chính
“black hole” đó. Còn vật chất mà nó “nuốt” thì thông tin “biến mất”.
Về nghịch lý
này, người ta có một số giả thuyết:
❓
Thông
tin bị mất thật.
❓
Thông
tin bị ẩn đi trong “black hole” và bị khóa chặt vào một chỗ nào đấy, không tài
nào mở được khóa.
❓
Vật
chất khi vào “black hole” sẽ tái xuất hiện ở một vũ trụ khác. Chỉ có điều chúng
ta không quan sát được cái vũ trụ khác ấy.
Tôi thấy “làm
khoa học” hình như giống quy trình sau:
⦿ Chấp nhận
một số tiên đề;
⦿ Đưa ra một
thuyết (theory);
⦿ Tìm cách
chứng minh hoặc đưa ra bằng chứng phù hợp với các tiên đề và và thuyết ấy;
⦿ Nếu đến một
thời điểm nào đó thấy vô lý thì chúng ta lại đưa ra tiên đề và thuyết mới 😊!
(\_/)
(
•_•)
/
>☕
