Cách để chụp hình hố đen

Ở trung tâm dải Ngân hà, tồn tại một hố đen khổng lồ lấy năng lượng từ dòng khí nóng chuyển động tròn xung quanh - nó có thể nuốt chửng mọi vật chất khi tiếp cận nó, ngay cả ánh sáng. Chúng ta không thể nhìn thấy lỗ đen đó, nhưng nhờ vào chân trời sự kiện của nó, ta có thể nhìn được một cái bóng, và hình ảnh về cái bóng đó có thể trả lời cho vài câu hỏi quan trọng về vũ trụ. Các nhà khoa học từng nghĩ rằng để thu thập được hình ảnh này phải cần một chiếc kính thiên văn có kích thước bằng Trái Đất - cho đến khi Katie Bouman và một đội ngũ các nhà thiên văn học tìm ra một phương pháp thay thế tuyệt vời. Tìm hiểu thêm về cách mà chúng ta có thể nhìn xuyên bóng tối này.

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)