Trong bộ phim "Interstellar,"
chúng ta có cái nhìn cận cảnh một hố đen siêu lớn.
Nằm sau tấm màn khí ga sáng rực,
trường hấp dẫn cực kỳ mạnh của hố đen này
bẻ cong ánh sáng thành chiếc nhẫn.
Nhưng đây không phải hình ảnh thật,
mà là hình ảnh đồ họa bằng máy tính -
một diễn giải đầy nghệ thuật về một hình ảnh của hố đen.
Một trăm năm trước,
Albert Einstein lần đầu tiên công bố Thuyết tương đối rộng.
Những năm sau đó,
các nhà khoa học đưa hàng loạt bằng chứng ủng hộ thuyết này.
Nhưng một điều có thể đoán được từ lý thuyết này, là việc hố đen
vẫn chưa được quan sát trực tiếp.
Mặc dù chúng ta có vài ý kiến về hình dạng có thể của hố đen,
nhưng ta chưa từng chụp bức ảnh nào về nó trong quá khứ.
Tuy nhiên, mọi người sẽ rất ngạc nhiên khi biết được mọi thứ sẽ sớm thay đổi.
Chúng ta sẽ thấy được bức ảnh đầu tiên của hố đen trong vài năm tới.
Những bức ảnh đầu tiên sẽ được chụp bởi một nhóm các nhà khoa học quốc tế,
một kính thiên văn cỡ Trái đất,
và áp dụng một thuật toán để cho ra hình ảnh cuối cùng.
Mặc dù tôi không thể cho các bạn xem hình ảnh thật của hố đen hôm nay,
tôi muốn các bạn có cái nhìn lướt qua những nỗ lực liên quan
để có được bức hình đầu tiên.
Tôi tên là Katie Bouman,
một nghiên cứu sinh tại Đại học MIT.
Tôi nghiên cứu tại một phòng lab máy tính
để tạo ra những máy tính phân tích hình ảnh và video.
Mặc dù tôi không phải nhà thiên văn học,
nhưng tôi sẽ chỉ các bạn thấy
cách mà tôi đã xây dựng đề án thú vị này.
Nếu bạn nhìn xuyên lớp ánh sáng của thành phố đêm nay,
bạn có thể may mắn nhìn thấy toàn cảnh tuyệt vời
của Dải ngân hà.
Và nếu bạn có thể thu cận cảnh hàng triệu ngôi sao,
26.000 năm ánh sáng về tâm Dải ngân hà hình xoắn ốc này,
chúng ta sẽ đi đến cụm sao ở ngay vị trí trung tâm.
Bằng cách quan sát dải bụi ngân hà qua kính thiên văn hồng ngoại,
các nhà thiên văn học đã quan sát những ngôi sao này trong hơn 16 năm.
Nhưng thứ chúng ta không thấy được lại là thứ tuyệt vời nhất.
Những ngôi sao này dường như quay quanh một thực thể vô hình.
Theo dõi đường đi của những ngôi sao này,
các nhà thiên văn kết luận
rằng thứ duy nhất đủ nhỏ, đủ nặng để gây ra hiện tượng này
là hố đen siêu khổng lồ --
một thực thể dày đặt đến mức có thể hút mọi thứ rất gần nó
ngay cả ánh sáng.
Nhưng điều gì xảy ra nếu chúng ta phóng to hơn nữa nhỉ?
Liệu ta có thể nhìn thấy thứ theo lý thuyết là không thể thấy được?
Hóa ra nếu chúng ta có thể khảo sát ở bước sóng radio,
ta có thể thấy một vòng tròn ánh sáng
tạo ra bởi thấu kính hấp dẫn của dòng plasma nóng
chuyển động rất nhanh quanh hố đen.
Nói cách khác,
hố đen như một chiếc bóng trên nền vật liệu màu sáng,
khắc nên hình một quả cầu tối.
Vòng tròn ánh sáng cho thấy chân trời sự kiện của hố đen,
nơi lực hấp dẫn rất mạnh
đến nỗi ánh sáng không thể thoát.
Phương trình Einstein dự đoán kích cỡ và hình dáng của vòng tròn
nên việc chụp hình nó không chỉ rất tuyệt,
mà nó sẽ giúp xác minh các phương trình
trong các điều kiện cực hạn quanh hố đen.
Tuy nhiên, hố đen này ở cách chúng ta rất xa,
nếu nhìn từ Trái Đất thì quả thật vòng tròn này sẽ cực kì nhỏ --
chỉ bằng kích thước của quả cam được đặt trên bề mặt của mặt trăng.
Điều đó làm cho việc chụp hình trở nên vô cùng phức tạp.
Tại sao lại thế?
Câu trả lời nằm gói gọn trong phương trình toán học đơn giản.
Bởi vì hiện tượng nhiễu xạ,
nên có những giới hạn cơ bản
đối với các vật thể nhỏ nhất có thể nhìn thấy được.
Phương trình vi phân chứng minh để nhìn thấy những vật càng nhỏ
thì chúng ta cần tạo ra kính thiên văn càng lớn.
Nhưng ngay cả kính thiên văn quang học tốt nhất Trái Đất,
chúng ta vẫn chưa đạt được độ phân giải cần thiết
để ghi lại hình ảnh bề mặt mặt trăng.
Thực ra thì, ở đây tôi đưa ra những ảnh có độ phân giải cao nhất chụp
mặt trăng từ Trái đất.
Nó có khoảng 13.000 pixels,
và mỗi pixel có kích thước đến 1,5 triệu quả cam.
Vậy ta cần một chiếc kính lớn đến mức nào
để có thể nhìn thấy quả cam trên bề mặt mặt trăng,
hay, rộng hơn, là hố đen?
Hóa ra chỉ bằng việc tính toán các con số,
bạn sẽ dễ dàng tính được chúng ta cần đến chiếc kính
lớn bằng cả Trái Đất.
(Cười)
Nếu ta có thể tạo ra một thứ lớn như vậy,
ta chỉ mới bước đầu xác định được chiếc vòng ánh sáng đặc trưng
biểu thị chân trời sự kiện của hố đen.
Mặc dù bức ảnh này không cho chúng ta thấy mọi chi tiết
như trong đồ họa máy tính,
nó cho chúng ta cái nhìn đáng tin cậy đầu tiên
về môi trường xung quanh một hố đen.
Tuy nhiên, hãy thử tưởng tượng,
việc tạo ra một kính thiên văn parabol to bằng Trái đất là điều không thể.
Nhưng theo lời của Mick Jagger,
"Ta không thể luôn có thứ mình muốn,
nhưng nếu nỗ lực, ta có thể tìm ra
và đạt được thứ ta cần."
Bằng việc kết nối các kính thiên văn trên thế giới,
một dự án cộng tác quốc tế được gọi là Event Horizon Telescope
đang xây dựng một kính thiên văn tính toán kích cỡ Trái đất,
có khả năng phân tích cấu trúc
trên quy mô sự kiện chân trời của một hố đen.
Hệ thống kính thiên văn lên kế hoạch chụp bức hình đầu tiên
về hố đen vào năm tới.
Mỗi kính thiên văn trong hệ thống toàn cầu này đều làm việc với nhau.
Được liên kết qua hệ thống đồng hồ nguyên tử chuẩn xác,
nhóm nghiên cứu ở mỗi điểm quan sát ngưng đọng ánh sáng
bằng cách thu thập hàng terabytes dữ liệu .
Dữ liệu này sau đó được phân tích tại phòng lab ở Massachusetts.
Điều này được thực hiện như thế nào?
Nhớ rằng nếu ta muốn nhìn thấy hố đen ở trung tâm dải Ngân hà,
ta phải xây một chiếc kính thiên văn không tưởng cỡ Trái đất?
Nhưng khoan đã nào, giả sử ta có thể xây
một chiếc kính lớn bằng Trái Đất.
Nó sẽ giống như việc biến Trái đất
thành một quả cầu disco khổng lồ.
Mỗi chiếc gương sẽ thu thập ánh sáng
để chúng ta có thể tổng hợp lại thành một bức ảnh.
Thế nhưng, giờ nếu loại bỏ đi hầu hết các tấm gương đó.
chỉ để lại một vài chiếc.
Chúng ta vẫn có thể tập hợp thông tin lại,
nhưng sẽ có rất nhiều lỗ hổng.
Những chiếc gương đại diện cho những nơi kính viễn vọng được đặt.
Cực kỳ ít số liệu đo lường để tạo dựng một bức ảnh.
Nhưng dù chúng ta chỉ thu thập được ánh sáng ở một vài vị trí đặt kính,
khi Trái đất xoay, chúng ta sẽ có thêm được những đo lường mới.
Nói cách khác, khi quả cầu disco quay, những chiếc kính sẽ thay đổi vị trí,
chúng ta sẽ quan sát được những phần khác nhau của bức ảnh.
Các thuật toán xử lý hình ảnh sẽ được dùng để lấp đầy chỗ trống trên quả cầu disco
để kiến tạo hình ảnh cơ bản của hố đen.
Nếu kính thiên văn được đặt ở khắp Địa cầu --
nói cách khác là khắp quả cầu disco --
thì đó chỉ là chuyện nhỏ.
Tuy nhiên, vì chúng ta chỉ thấy được một vài điểm mẫu,
cho nên sẽ có vô số những hình ảnh khả thi
trùng khớp hoàn hảo với những đo lường từ kính thiên văn.
Tuy nhiên, không phải tất cả hình ảnh đều được tạo ra đồng đều.
Một số hình ảnh sẽ giống với những gì chúng ta nghĩ hơn là những cái khác.
Nên, vai trò của tôi trong việc chụp hình ảnh đầu tiên về hố đen
là thiết kế giải thuật tìm ra hình ảnh hợp lý nhất
phù hợp với những đo lường từ kính thiên văn.
Giống như một nghệ sĩ vẽ chân dung trong Sở cảnh sát, sử dụng một số ít mô tả
để vẽ chân dung bằng cách sử dụng kiến thức của họ về cấu trúc gương mặt,
các thuật toán tôi phát triển sử dụng dữ liệu ít ỏi từ kính thiên văn
để cho ta một bức ảnh về các vật thể trong vũ trụ.
Bằng cách sử dụng những giải thuật này, ta có thể ghép các bức ảnh với nhau
từ đám dữ liệu khan hiếm, hỗn tạp này.
Vậy nên, giờ tôi sẽ cho các bạn thấy một ảnh mẫu dược tạo bởi dữ liệu giả lập,
khi ta giả định hướng các kính thiên văn
về phía hố đen ngay giữa thiên hà của chúng ta.
Mặc dù đây chỉ là giả lập, việc xây dựng hình ảnh này cho chúng ta hy vọng
rằng ta sẽ sớm có thể chụp được hình ảnh hố đen đáng tin cậy đầu tiên
và từ đó, xác định kích thước của vòng sáng.
Mặc dù tôi rất thích được diễn giải chi tiết về giải thuật này,
nhưng may cho các bạn, tôi không có thời gian.
Nhưng tôi cũng trình bày thoáng qua
cách chúng tôi xác định hình dạng của vũ trụ,
và chúng tôi sử dụng nó để xây dựng và kiểm tra kết quả của mình thế nào.
Vì có hàng vô số hình ảnh khả thi
trùng khớp với những đo đạc từ kính thiên văn,
chúng tôi bằng cách nào đó phải chọn lựa chúng.
Chúng tôi xếp hạng các bức ảnh
dựa trên mức độ tương đương với lỗ đen thực sự,
và lựa chọn cái có vẻ như giống nhất.
Ý của tôi chính xác là gì?
Giả như ta đang cố tạo một chương trình
cho ta biết về khả năng một tấm ảnh có thể xuất hiện trên Facebook.
Chúng ta có lẽ muốn nó biết rằng
người ta sẽ không hay post một tẩm ảnh nhiễu như phía bên trái,
nhưng người ta sẽ hay post một tấm selfie
như tấm bên phải.
Tấm hình ở giữa bị mờ,
nhưng dù sao nó có vẻ sẽ được post trên Facebook
so với tấm hình bị nhiễu,
nhưng ta sẽ ít thấy nó hơn so với tấm selfie.
Nhưng đối với các hình ảnh từ hố đen,
chúng tôi gặp một vấn đề hóc búa thật sự: chúng ta chưa từng nhìn thấy nó.
Trường hợp này, thứ gì có vẻ giống với hố đen,
và chúng ta nên giả định cấu trúc của hố đen thế nào?
Chúng tôi đã cố gắng sử dụng những hình ảnh mô phỏng,
giống hình ảnh hố đen trong phim "Interstellar,"
nhưng làm thế có thể gây ra một số vấn đề nghiêm trọng.
Điều gì xảy ra nếu giả thuyết của Einstein không đúng?
Chúng tôi vẫn muốn tái lập một hình ảnh chuẩn xác về điều sẽ xảy ra.
Nếu giải thuật dựa quá nhiều vào phương trình của Einstein,
kết cục chúng tôi sẽ nhìn thấy điều chúng tôi kỳ vọng.
Nói cách khác, chúng tôi muốn để dành một chỗ,
thậm chí dành cho một con voi khổng lồ ngay giữa thiên hà này.
(Cười)
Các loại ảnh khác nhau có những đặc điểm riêng biệt.
Chúng tôi có thể dễ dàng phân biệt được những hình ảnh mô phỏng hố đen
với hình ảnh ta chụp hằng ngày trên Trái đất.
Cần có cách giúp giải thuật biết hình ảnh trông như thế nào
mà không phải quy định quá nhiều đặc điểm cho một loại ảnh.
Một cách chúng tôi thử để giải quyết
là quy định những đặc điểm của những loại ảnh khác nhau
và xem loại ảnh chúng tôi giả thiết ảnh hưởng lên việc tái lập như thế nào.
Nếu tất cả các loại ảnh tạo ra hình ảnh giống nhau,
thì ta có thể tự tin rằng
các giả thiết chúng tôi tạo nên không bị lệch nhiều so với hình ảnh này.
Nó giống với việc đưa ra mô tả giống nhau
cho ba nghệ sĩ phác họa khác nhau ở khắp thế giới.
Nếu họ vẽ ra cùng một khuôn mặt giống nhau,
chúng ta có thể tự tin rằng
họ không áp đặt những thiên hướng văn hóa riêng của bản thân lên bức hình.
Một cách chúng tôi thử áp dụng những đặc điểm hình ảnh khác nhau
là dùng những mảnh ghép của các hình ảnh hiện có.
Chúng tôi chụp một số lượng lớn hình ảnh,
và chia chúng thành những mảnh hình nhỏ.
Sau đó chúng tôi dùng từng mảnh hình ấy như những mảnh ghép hình.
Chúng tôi dùng những mảnh ghép thường thấy để ghép lại thành một bức ảnh
khớp với các đo đạc từ kính thiên văn.
Các loại ảnh khác nhau có các tập các mảnh ghép rất riêng biệt.
Vậy điều gì xảy ra khi chúng ta dùng cùng một dữ liệu
nhưng lại dùng các tập mảnh ghép khác nhau để tái lập bức hình?
Đầu tiên hãy bắt đầu với các mảnh ghép giả lập hình ảnh hố đen.
Ok, cái này nhìn khá hợp lý.
Cái này nhìn có vẻ giống như thứ chúng ta kỳ vọng.
Nhưng liệu ta đã làm được
bởi vì chúng ta chỉ đưa ra số ít các hình ảnh giả lập về hố đen?
Hãy thử với tập các mảnh ghép khác
từ các thực thể thiên văn mà không phải là hố đen.
OK, chúng ta cũng có hình ảnh giống thế.
Và giờ thì với các hình ảnh hằng ngày,
giống các bức hình bạn chụp từ máy camera của mình?
Tuyệt ! Chúng ta cũng có bức hình giống thế.
Khi có được các bức hình giống nhau từ các tập mảnh ghép khác nhau,
chúng tôi có thể tự tin
rằng giả thiết hình ảnh chúng tôi dùng
không chênh lệch nhiều so với bức hình cuối cùng.
Một thứ khác chúng tôi làm là sử dụng cùng một tập các mảnh ghép,
ví dụ như tập lấy từ các bức hình hằng ngày,
và sử dụng chúng để tái lập các hình ảnh gốc khác nhau.
Trong quá trình giả lập,
chúng tôi vờ như hố đen trông giống như một thực thế thiên văn khác
cũng như những bức ảnh hàng ngày giống con voi giữa thiên hà chúng ta.
Khi giải thuật của chúng tôi ở phía dưới đưa ra kết quả giống với
hình ảnh giả lập thật ở phía trên
chúng tôi sẽ tự tin hơn về các giải thuật của mình.
Điều tôi muốn nhấn mạnh ở đây
là tất cả các bức hình này được tạo ra
bằng việc ghép các mảnh ghép từ những bức hình hằng ngày
giống như bạn chụp chúng từ camera của bạn.
Thế nên một bức tranh về hố đen chúng ta chưa từng thấy trước đây
cuối cùng có thể được tạo ra bằng cách ghép các bức hình chúng ta thường thấy
như về người, các tòa nhà, cây cối, mèo, và chó.
Ý tưởng về hình ảnh như thế này sẽ giúp chúng ta có thể
chụp được bức ảnh đầu tiên về hố đen,
và hy vọng có thể xác minh các lý thuyết nối tiếng
mà các nhà khoa học đang dựa vào hằng ngày.
Nhưng tất nhiên, việc thực hiện các ý tưởng này
sẽ không bao giờ thực hiện được nếu không có nhóm nghiên cứu tuyệt vời
mà tôi vinh dự có cơ hội làm việc cùng.
Tôi vẫn ngạc nhiên
rằng mặc dù tôi bắt đầu dự án mà không hề biết về Thiên văn học,
điều chúng tôi đạt được qua sự cộng tác độc đáo này
có thể dẫn tới những hình ảnh đầu tiên về hố đen.
Nhưng những dự án lớn như Event Horizon Telescope
rất thành công nhờ vào sự cộng tác của những nhà chuyên môn
từ những lĩnh vực khác nhau.
Chúng tôi là nhóm các nhà thiên văn
vật lý, toán học, và kỹ sư.
Đây là công cụ sẽ thực hiện được điều
đã từng xem không thể thực hiện được.
Tôi muốn cỗ vũ tất cả các bạn cùng tiến bước
và đẩy lùi các ranh giới của khoa học,
ngay cả khi nó thoạt đầu có vẻ bí ẩn với bạn như hố đen chẳng hạn.
Cám ơn.
(Vỗ tay)