Một kỹ thuật mới mạnh mẽ sắp sửa cách mạng hóa cách các nhà thiên văn học quan sát lỗ đen, bằng cách tạo ra những hình ảnh sắc nét, nhiều màu sắc có thể tiết lộ quá trình tiến hóa năng động của chúng theo thời gian thực.
Bằng cách bù đắp cho bầu khí quyển hỗn loạn của Trái đất, kỹ thuật này — được gọi là truyền pha tần số (FPT) — cho phép các nhà khoa học sử dụng mảng Kính viễn vọng chân trời sự kiện (EHT) toàn cầu nhìn thấy các chi tiết tốt hơn và các đặc điểm mờ hơn của các vật thể vũ trụ (như lỗ đen) hơn bao giờ hết. Phương pháp này cũng cải thiện tần suất quan sát bằng cách mở rộng cửa sổ quan sát hạn chế của EHT, cho phép các nhà khoa học có khả năng tạo ra các "phim" tua nhanh thời gian về hoạt động của lỗ đen.
Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã thử nghiệm kỹ thuật mới này bằng cách sử dụng ba trong số 12 kính viễn vọng thuộc mảng EHT, bao gồm kính viễn vọng IRAM 30 mét trên đỉnh Pico Veleta ở Tây Ban Nha và các đài quan sát James Clerk Maxwell Telescope và Submillimeter Array ở Hawai'i, theo một tuyên bố từ Trung tâm Vật lý thiên văn tại Harvard & Smithsonian (CfA).
Thách thức của việc quan sát vũ trụ bằng kính viễn vọng mặt đất bắt đầu từ bầu khí quyển của Trái đất, làm biến dạng sóng vô tuyến đến từ không gian, theo Sara Issaoun, tác giả chính của nghiên cứu mới và là nhà thiên văn học tại CfA. Những biến dạng này đặc biệt có vấn đề ở tần số cao hơn như băng tần 230 gigahertz (GHz) — còn được gọi là băng tần milimét, mà EHT hiện đang sử dụng — nơi các tín hiệu bị nhiễu loạn nhanh chóng bởi nhiễu loạn khí quyển và hơi nước. Do đó, dữ liệu chỉ có thể được thu thập trong khoảng thời gian ngắn, hạn chế độ nhạy và khiến việc phát hiện các tín hiệu yếu trở nên khó khăn hơn.
Kỹ thuật FPT hoạt động bằng cách tận dụng thực tế là các biến thể khí quyển ảnh hưởng đến các tần số khác nhau theo những cách tương tự, tạo ra mối tương quan có thể đo lường được. Bằng cách quan sát ở tần số thấp hơn, cụ thể là 86 GHz, nơi có các biến động khí quyển chậm hơn, các nhà khoa học có thể sử dụng dữ liệu đó để hiệu chỉnh các biến thể nhanh hơn, gây gián đoạn hơn ở 230 GHz. Điều này cho phép các giai đoạn trung bình dài hơn nhiều ở tần số cao hơn, tăng đáng kể độ rõ nét và độ nhạy của tín hiệu. Issaoun nói với Space.com rằng bước nhảy vọt về hiệu suất này có thể cho phép EHT phát hiện ra các lỗ đen mờ hơn và các chi tiết tốt hơn bao giờ hết.
EHT là mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến toàn cầu sử dụng một kỹ thuật gọi là Giao thoa kế đường cơ sở rất dài (VLBI) để kết hợp kỹ thuật số các quan sát từ khắp nơi trên thế giới. Hiện tại, EHT chỉ hoạt động trong khoảng 10 ngày vào mỗi tháng 4, khi điều kiện thời tiết phù hợp trên khắp các kính viễn vọng rộng khắp. Với FPT, các nhà thiên văn học có thể mở rộng đáng kể cửa sổ đó, mở ra cơ hội quan sát các lỗ đen thường xuyên và linh hoạt hơn, ngay cả trong điều kiện thời tiết không lý tưởng.
Nhịp điệu tăng lên đó là chìa khóa cho mục tiêu chính của EHT: biến hình ảnh tĩnh của các lỗ đen thành phim cho thấy chúng thay đổi như thế nào theo thời gian. Vì hầu hết các lỗ đen tiến hóa chậm nên việc quan sát lặp lại là điều cần thiết để theo dõi cách vật chất xoáy xung quanh chúng, cách các luồng vật chất được phóng ra và cách từ trường dịch chuyển. Bằng cách quan sát thường xuyên hơn trong suốt cả năm, EHT sẽ có thể quan sát các lỗ đen thay đổi theo thời gian - có khả năng ghi lại các hiện tượng theo thời gian thực lần đầu tiên, Issaoun lưu ý.
Để thực hiện được điều này, các kính thiên văn trong mảng EHT đang được nâng cấp để hỗ trợ quan sát đồng thời ở nhiều tần số. Điều này bao gồm việc bổ sung các máy thu cho băng tần 86 GHz. Tuy nhiên, không phải mọi kính thiên văn trong mảng đều cần được trang bị máy thu mới để FPT có hiệu quả. Ngay cả việc triển khai một phần cũng có thể nâng cao hiệu suất của toàn bộ mạng, vì tất cả các kính thiên văn đều hoạt động song song để xây dựng bức tranh hoàn chỉnh về một mục tiêu vũ trụ. Theo Issaoun, mặc dù các nâng cấp phần cứng cần thiết tương đối nhỏ, nhưng mỗi kính thiên văn đều có những hạn chế kỹ thuật riêng, gây ra thách thức cho việc triển khai.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
— Kính viễn vọng chân trời sự kiện: Hướng dẫn đầy đủ
— Kính viễn vọng chân trời sự kiện phát hiện các tia phun trào từ hố đen siêu lớn gần đó
— Sau khi chụp ảnh hố đen quái vật của Ngân Hà, các nhà khoa học mơ về video
Ngoài việc tăng hiệu suất, kỹ thuật này còn thêm một lớp phức tạp mới vào chính các hình ảnh. Với nhiều băng tần, các nhà nghiên cứu có thể phủ dữ liệu bằng nhiều màu khác nhau để tiết lộ các cấu trúc chi tiết hơn xung quanh hố đen. Những hình ảnh đa băng tần này sẽ giúp phân tích các đặc điểm như khí xoáy và từ trường, vẽ nên bức chân dung đa chiều, năng động hơn về môi trường lỗ đen.
Cuối cùng, kỹ thuật FPT có thể cho phép EHT không chỉ nhìn thấy lỗ đen rõ hơn mà còn thường xuyên hơn, mở ra kỷ nguyên mới cho khoa học lỗ đen.
Những phát hiện ban đầu của nhóm đã được công bố vào ngày 26 tháng 3 trên Tạp chí Thiên văn học. Các nhà nghiên cứu liên tục làm việc để phát triển toàn bộ tiềm năng của mạng EHT và khám phá các khả năng tần số cao hơn nữa — chẳng hạn như 345 GHz — có thể bổ sung thêm cho các quan sát đa băng tần.
Bằng cách bù đắp cho bầu khí quyển hỗn loạn của Trái đất, kỹ thuật này — được gọi là truyền pha tần số (FPT) — cho phép các nhà khoa học sử dụng mảng Kính viễn vọng chân trời sự kiện (EHT) toàn cầu nhìn thấy các chi tiết tốt hơn và các đặc điểm mờ hơn của các vật thể vũ trụ (như lỗ đen) hơn bao giờ hết. Phương pháp này cũng cải thiện tần suất quan sát bằng cách mở rộng cửa sổ quan sát hạn chế của EHT, cho phép các nhà khoa học có khả năng tạo ra các "phim" tua nhanh thời gian về hoạt động của lỗ đen.
Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã thử nghiệm kỹ thuật mới này bằng cách sử dụng ba trong số 12 kính viễn vọng thuộc mảng EHT, bao gồm kính viễn vọng IRAM 30 mét trên đỉnh Pico Veleta ở Tây Ban Nha và các đài quan sát James Clerk Maxwell Telescope và Submillimeter Array ở Hawai'i, theo một tuyên bố từ Trung tâm Vật lý thiên văn tại Harvard & Smithsonian (CfA).
Thách thức của việc quan sát vũ trụ bằng kính viễn vọng mặt đất bắt đầu từ bầu khí quyển của Trái đất, làm biến dạng sóng vô tuyến đến từ không gian, theo Sara Issaoun, tác giả chính của nghiên cứu mới và là nhà thiên văn học tại CfA. Những biến dạng này đặc biệt có vấn đề ở tần số cao hơn như băng tần 230 gigahertz (GHz) — còn được gọi là băng tần milimét, mà EHT hiện đang sử dụng — nơi các tín hiệu bị nhiễu loạn nhanh chóng bởi nhiễu loạn khí quyển và hơi nước. Do đó, dữ liệu chỉ có thể được thu thập trong khoảng thời gian ngắn, hạn chế độ nhạy và khiến việc phát hiện các tín hiệu yếu trở nên khó khăn hơn.
Kỹ thuật FPT hoạt động bằng cách tận dụng thực tế là các biến thể khí quyển ảnh hưởng đến các tần số khác nhau theo những cách tương tự, tạo ra mối tương quan có thể đo lường được. Bằng cách quan sát ở tần số thấp hơn, cụ thể là 86 GHz, nơi có các biến động khí quyển chậm hơn, các nhà khoa học có thể sử dụng dữ liệu đó để hiệu chỉnh các biến thể nhanh hơn, gây gián đoạn hơn ở 230 GHz. Điều này cho phép các giai đoạn trung bình dài hơn nhiều ở tần số cao hơn, tăng đáng kể độ rõ nét và độ nhạy của tín hiệu. Issaoun nói với Space.com rằng bước nhảy vọt về hiệu suất này có thể cho phép EHT phát hiện ra các lỗ đen mờ hơn và các chi tiết tốt hơn bao giờ hết.
EHT là mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến toàn cầu sử dụng một kỹ thuật gọi là Giao thoa kế đường cơ sở rất dài (VLBI) để kết hợp kỹ thuật số các quan sát từ khắp nơi trên thế giới. Hiện tại, EHT chỉ hoạt động trong khoảng 10 ngày vào mỗi tháng 4, khi điều kiện thời tiết phù hợp trên khắp các kính viễn vọng rộng khắp. Với FPT, các nhà thiên văn học có thể mở rộng đáng kể cửa sổ đó, mở ra cơ hội quan sát các lỗ đen thường xuyên và linh hoạt hơn, ngay cả trong điều kiện thời tiết không lý tưởng.
Nhịp điệu tăng lên đó là chìa khóa cho mục tiêu chính của EHT: biến hình ảnh tĩnh của các lỗ đen thành phim cho thấy chúng thay đổi như thế nào theo thời gian. Vì hầu hết các lỗ đen tiến hóa chậm nên việc quan sát lặp lại là điều cần thiết để theo dõi cách vật chất xoáy xung quanh chúng, cách các luồng vật chất được phóng ra và cách từ trường dịch chuyển. Bằng cách quan sát thường xuyên hơn trong suốt cả năm, EHT sẽ có thể quan sát các lỗ đen thay đổi theo thời gian - có khả năng ghi lại các hiện tượng theo thời gian thực lần đầu tiên, Issaoun lưu ý.
Để thực hiện được điều này, các kính thiên văn trong mảng EHT đang được nâng cấp để hỗ trợ quan sát đồng thời ở nhiều tần số. Điều này bao gồm việc bổ sung các máy thu cho băng tần 86 GHz. Tuy nhiên, không phải mọi kính thiên văn trong mảng đều cần được trang bị máy thu mới để FPT có hiệu quả. Ngay cả việc triển khai một phần cũng có thể nâng cao hiệu suất của toàn bộ mạng, vì tất cả các kính thiên văn đều hoạt động song song để xây dựng bức tranh hoàn chỉnh về một mục tiêu vũ trụ. Theo Issaoun, mặc dù các nâng cấp phần cứng cần thiết tương đối nhỏ, nhưng mỗi kính thiên văn đều có những hạn chế kỹ thuật riêng, gây ra thách thức cho việc triển khai.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
— Kính viễn vọng chân trời sự kiện: Hướng dẫn đầy đủ
— Kính viễn vọng chân trời sự kiện phát hiện các tia phun trào từ hố đen siêu lớn gần đó
— Sau khi chụp ảnh hố đen quái vật của Ngân Hà, các nhà khoa học mơ về video
Ngoài việc tăng hiệu suất, kỹ thuật này còn thêm một lớp phức tạp mới vào chính các hình ảnh. Với nhiều băng tần, các nhà nghiên cứu có thể phủ dữ liệu bằng nhiều màu khác nhau để tiết lộ các cấu trúc chi tiết hơn xung quanh hố đen. Những hình ảnh đa băng tần này sẽ giúp phân tích các đặc điểm như khí xoáy và từ trường, vẽ nên bức chân dung đa chiều, năng động hơn về môi trường lỗ đen.
Cuối cùng, kỹ thuật FPT có thể cho phép EHT không chỉ nhìn thấy lỗ đen rõ hơn mà còn thường xuyên hơn, mở ra kỷ nguyên mới cho khoa học lỗ đen.
Những phát hiện ban đầu của nhóm đã được công bố vào ngày 26 tháng 3 trên Tạp chí Thiên văn học. Các nhà nghiên cứu liên tục làm việc để phát triển toàn bộ tiềm năng của mạng EHT và khám phá các khả năng tần số cao hơn nữa — chẳng hạn như 345 GHz — có thể bổ sung thêm cho các quan sát đa băng tần.
