Andrea Ghez: Cuộc săn lùng hố đen khổng lồ

Làm cách nào để quan sát thứ mà bạn không thể nhìn thấy ? Đây là câu hỏi cơ bản với những ai thích thú trong việc tìm kiếm và nghiên cứu về các hố đen. Vì hố đen là những vật thể có lực hút cực lớn mà không thứ gì có thế thoát khỏi, thậm chí cả ánh sáng nên bạn không thể nhìn thấy nó một cách trực tiếp.

Câu chuyện về các hố đen của tôi hôm nay là là về một hố đen đặc biệt. Tôi hứng thú với việc tìm kiếm có hay không thứ thực sự rất lớn, mà chúng ta thường gọi hố đen “siêu lớn" ở trung tâm giải Ngân Hà của chúng ta. Và lý do của sự thích thú đó là vì nó đưa cho chúng ta khả năng để chứng minh rằng vật thể kì lạ này có tồn tại hay không Điều thứ hai là nó cho chúng ta cơ hội để hiểu bằng cách nào những siêu hố đen tương tác với môi trường của nó, và để hiểu chúng ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của những thiên hà mà chúng cư ngụ.

Thế nên, để bắt đầu, chúng ta cần hiểu lỗ đen là gì như thế chúng ta có thể biết cách chứng minh một hố đen. Vậy, hố đen là gì? Vâng, có thể nói hố đen là một vật thể cực kì đơn giản, bởi vì chỉ có ba tính chất để bạn mô tả nó: khối lượng sự quay tròn, và sự tích điện Và tôi sẽ chỉ nói về khối lượng. Về mặt đó, hố đen là một vật thể rất đơn giản. Nhưng ở mặt khác, nó lại là một vật thể vô cùng phức tạp mà chúng cần loại vật lý tương đối lạ thường để mô tả, và hiểu theo một cách nào đó thì nó phá vỡ những hiểu biết vật lý của chúng ta về vũ trụ

Nhưng hôm nay, cách tôi muốn bạn hiểu về hố đen, để chứng minh nó, là nghĩ về nó như một vật thể có khối lượng bị nén tới mức có thể tích bằng 0. Vì vậy, bất chấp sự thật rằng tôi sẽ nói với các bạn về một vật thể có với kích cỡ siêu lớn và tôi sẽ nói đâu là ý nghĩa thật ngay sau đây, lỗ đen không có kích cỡ xác định. Như thế, ở đây có một chút phức tạp

Nhưng may mắn thay có một kích cỡ xác định mà bạn có thể thấy, đó là bán kính hấp dẫn (bán kính Schawarzschild). được đặt theo tên của người tìm ra nó. Tại sao bán kính này lại quan trọng? Đây là một bán kính ảo, không có thật; hố đen không có kích cỡ. Vậy tại sao nó lại quan trọng? Nó quan trọng bởi vì nó cho chúng ta biết rằng bất kì một vật thể nào cũng có thể trở thành một hố đen Điều này nghĩa là bạn, hàng xóm, điện thoại của bạn, hay giảng đường đều có thể trở thành một hố đen Nếu bạn có thể hình dung làm cách nào để nén nó xuống thành kích cỡ của bán kính hấp dẫn ( Schwarzschild )

Ở điểm đó, chuyện gì sẽ xảy ra? Ở điểm đó trọng lực thắng. Trọng lực thắng tất cả mọi lực đã được biết. Và vật thể chịu lực đó tiếp tục sụp đổ thành những vật thể nhỏ vô hạn. Và sau đó nó trở thành một hố đen. Như thế, nếu tôi nén trái đất xuống kích cỡ của một viên đường, nó sẽ trở thành một lỗ đen, Bởi vì kích cỡ của một viên đường là bán kính hấp dẫn của nó.

Bây giờ, chìa khóa ở đây là hình dung ra bán kính hấp dẫn đó là gì. Và nó thực sự khá đơn giản để hình dung. Nó chỉ phụ thuộc vào khối lượng của vật thể. Vật thể càng lớn thì bán kính hấp dẫn càng lớn. Vật thể càng nhỏ thì bán kính hấp dẫn càng nhỏ. Do vậy, nếu tôi mang mặt trời và nén nó xuống thành phạm vi của Trường Đại học Oxford, nó sẽ trở thành một hố đen.

Như thế, bây giờ chúng ta đã biết bán kính hấp dẫn là gì. Và nó là một khái niệm thực sự khá hữu dụng, bởi vì nó không chỉ nói cho chúng ta biết khi nào hố đen sẽ hình thành, mà còn đưa cho chúng ta chìa khóa về bằng chứng của hố đen. Tôi chỉ cần hai thứ. I cần hiểu khối lượng của vật thể. Tôi đang khẳng định một hố đen, và cái gi là bán kính hấp dẫn của nó Và từ khi khối lượng quyết định bán kính hấp dẫn, thì thật ra chỉ còn một thứ tôi thực sự cần biết.

Vậy nên, công việc của tôi khi thuyết phục bạn rằng có một hố đen, là chỉ ra rằng có một vài vật thể được giới hạn trong bán kính hấp dẫn của nó. Và việc của bạn hôm nay là nghi ngờ. Vâng, do đó, tôi sẽ nói về hố đen không bình thường; Tôi sẽ nói về hố đen siêu lớn.

Vậy, tôi muốn nói vài từ về thế nào là một hố đen bình thường, nếu như có thứ được xem là một hố đen bình thường. Một hố đen bình thường là trạng thái sau cùng trong vòng đời của một ngôi sao khổng lồ. Như thế, nếu cuộc sống của một ngôi sao bắt đầu kết thúc với khối lượng lớn hơn nhiều khổi lượng của mặt trời, nó sẽ kết thúc vòng đời bằng cách nổ tung và để lại đằng sau những dấu tích tuyệt đẹp của siêu tân tinh mà chúng ta thấy ở đây. Và bên trong những dấu vết còn lại của siêu tân tinh sẽ là một lỗ đen nhỏ có khối lượng gấp 3 lần khối lượng của Mặt Trời. Trong đo lường của thiên văn học đó là một lỗ đen rất nhỏ.

Bây giờ, tôi muốn nói về những lỗ đen siêu lớn. Và những siêu lỗ đen được cho là nằm ở trung tâm của những thiên hà. Và bức ảnh tuyệt đẹp này được chụp từ kính viễn vọng Hubble cho thấy các thiên hà có đủ các loại hình dạng và kích cỡ. Có những cái to. Có những cái nhỏ. Hầu hết mọi vật thể trong bức tranh đó có một giải thiên hà. và có những đường xoắn ốc đẹp về phía trên bên trái. Và có hàng trăm tỉ ngôi sao trong giải thiên hà đó, chỉ để đưa ra cho bạn một ý niệm về phạm vi. Và tất cả ánh sáng mà chúng ta thấy từ một thiên hà tiêu biểu giống như thiên hà chúng ta đang thấy ở đây, đến từ ánh sáng của những ngôi sao. Như thế, chúng ta nhìn thấy thiên hà bởi ánh sáng của những ngôi sao.

Bây giờ, có một vài giải thiên hà tương đối kì lạ. Tôi thích gọi chúng là "người phụ nữ đầu tiên" của thế giới thiên hà, bởi vì chúng khá phô trương. Và chúng ta gọi chúng là hạt nhân tích cực của thiên hà. Chúng ta gọi chúng như vậy bởi vì hạt nhân của chúng hoặc trung tâm của chúng rất năng động. Do vậy, ở trung tâm, đó thực sự là nơi hầu hết ánh sáng đi ra. Tuy thế, ánh sáng mà chúng ta thực sự nhìn thấy không đuợc giải thích là từ ánh sáng của các ngôi sao. Mà nó mãnh liệt hơn. Thực tế, trong một vài ví dụ nó giống như thứ mà chúng ta thấy ở đây Có nhiều tia phát ra từ trung tâm Một lần nữa, nguồn của năng lượng rất khó lý giải nếu bạn chỉ nghĩ rằng thiên hà được tạo ra bởi các ngôi sao.

Như thế, mọi người nghĩ rằng có lẽ là có những siêu lỗ đen nơi mà vật chất bị cuốn vào đó. Do vậy, bạn không thể nhìn thấy những lỗ đen, nhưng bạn có thể chuyển năng lượng hấp dẫn của lỗ đen thành ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy. Như thế, có ý kiến cho rằng có thể những siêu lỗ đen hiện diện ở trung tâm của những thiên hà. Nhưng đó chỉ là lý lẽ gián tiếp.

Mặc dù vậy, nó vẫn đưa ra một quan điểm rằng có thể không chỉ có những "người phụ nữ đầu tiên" có những siêu lỗ đen, mà đúng hơn là tất cả các thiên hà đều có thể ẩn giấu siêu lỗ đen ở trung tâm của chúng. Và nếu đó là một trường hợp – Thì đây là 1 ví dụ về một thiên hà bình thường cái chúng ta nhìn là ánh sáng của các ngôi sao. Và nếu có một siêu lỗ đen, chúng ta cần thừa nhận là rằng đó là lỗ đen ăn chay Bởi vì đó là cách ngăn chặn các hiện tượng năng lượng mà chúng ta thấy trong hạt nhân năng động của thiên hà.

Nếu chúng ta đang tìm kiếm những lỗ đen ẩn nấp ở trung tâm của các thiên hà, thì nơi tốt nhất là ở ngay thiên hà của chúng ta, giải Ngân hà (Milky Way). Và đây là bức trang toàn cảnh rộng lớn được chụp từ trung tâm của giải Ngân hà. Và cái chúng ta nhìn thấy là một giải các ngôi sao. Đó là vì chúng ta đang sống trong một thiên hà có cấu trúc phẳng giống như một cái đĩa. Và chúng ta đang sống ở giữa; do đó khi nhìn vào trung tâm, chúng ta thấy mặt phẳng này định hình cho mặt phẳng của giải Ngân hà, hoặc là đường thẳng định hình mặt phẳng của giải Ngân hà.

Bây giờ, việc nghiên cứu thêm về giải Ngân hà là một ví dụ gần nhất cho trung tâm của một dải thiên hà mà chúng ta đã từng có, bởi vì thiên hà gần nhất cách xa gấp 100 lần. Như thế, chúng ta có thể nhìn thấy nhiều chi tiết ở giải Ngân hà của chúng ta hơn bất kì một nơi nào khác Và như bạn sẽ nhìn thấy ngay sau đây, khả năng thấy chi tiết là chìa khóa cho cuộc thử nghiệm này.

Vậy, làm cách nào các nhà thiên văn học chứng minh rằng có khối lượng cực lớn bên trong một đơn vị nhỏ bé. Đó là điều tôi sẽ cho bạn thấy hôm nay. và công cụ chúng tôi sử dụng để quan sát cách những ngôi sao đi theo quỹ đạo của lỗ đen. Các ngôi sao đi theo quỹ đạo của lỗ đen cũng tương tự như cách các hành tinh quay theo quỹ đạo của mặt trời. Do lực hấp đẫn làm cho mọi vật đi theo quỹ đạo. Nếu không có những vật thể có khối lượng cực lớn thì mọi vật sẽ thoát ra hoặc it nhất là đi chậm rãi hơn bởi vì tất cả những gì quyết định chúng quay như thế nào là khối lượng bên trong của vật thể mà nó quay xung quanh.

Như thế, thật tuyệt vời, bởi vì công việc của tôi là chỉ ra có nhiều khối lượng bên trong một đơn vị nhỏ bé. Nếu tôi biết nó quay với tốc độ bao nhiêu thì tôi sẽ biết khối lượng Và nếu tôi biết tỉ lệ của quỹ đạo, tôi sẽ biết bán kính. Do đó, tôi muốn nhìn các ngôi sao càng ở gần trung tâm thiên hà càng tốt. Bởi vì tôi muốn chỉ ra rằng có một khối lượng ở bên trong một khu vực nhỏ nhất có thể Vì thế, điều này có nghĩa là tôi cần thấy thật nhiều chi tiết. Và đó là lý do chúng ta sử dụng cho cuộc thử nghiệm này kính viễn vọng lớn nhất thế giới.

Đây là đài thiên văn Keck. Nó chứa 2 kính viễn vọng với một tấm gương tròn đường kính 10m tương đương với một sân bóng Tennis. Bây giờ, điều này mới thật tuyệt vời vì cuộc vận động để quyên góp cho những kính viễn vọng rộng và lớn hơn, giúp chúng ta có thể thấy những chi tiết nhỏ hơn. Nhưng nó vượt quá những kính viễn vọng này hoặc bất kì cái nào trên Trái đất đã có một thách thức nhỏ tồn tại cho cuộc vận động lời hứa này. Đó là bởi vì bầu khí quyển. Bầu khí quyển tuyệt vời cho chúng ta, nó cho phép chúng ta hiện diện nơi đây trên Trái Đất Nhưng lại là tương đối khó khăn cho những nhà thiên văn học những người muốn nhìn xuyên qua bầu khí quyển tới gốc của vũ trụ.

Vì thế, việc đưa cho bạn ý nghĩa nó giống cái gì thực sự giống việc nhìn một viên sỏi ở dưới đáy một dòng suối. Nhìn viên sỏi ở dưới dòng suối, dòng suối vẫn di chuyển liên tục và hỗn loạn, làm cho việc nhìn viên sỏi dưới dòng suối trở nên rất khó khăn. Tương tự như thế, rất khó để nhìn tới gốc của vũ trụ, bởi vì bầu khí quyển luôn luôn chuyển động.

Thế nên, tôi đã bỏ ra nhiều công sức để làm giảm sự ảnh hưởng của bầu khí quyển, cho một cái nhìn rõ ràng hơn. và chúng tôi được trả với hệ với hệ số lương 20 Tôi nghĩ tất cả các bạn đều đồng ý rằng nếu bạn có thể tìm ra cách làm sao để nâng cao cuộc sống bởi hệ số lương 20 bạn có thể nâng cao lối sống lên rất nhiều nói tiền lương, bạn quan tâm hay con cái của bạn, bạn quan tâm.

Đoạn phim này nói đưa ra một ví dụ về kỹ thuật mà chúng tôi sử dụng, được gọi là thích ứng quang học. Bạn đang xem đoạn hoạt hình đi giữa một ví dụ của cái bạn muốn thấy nếu không sử dụng kĩ thuật này, Nói cách khác, những bức ảnh chỉ thể hiện những ngôi sao, và cái hộp được đặt ở giữa ở trung tâm của thiên hà. nơi chúng tôi nghĩ đó là lỗ đen. Vì thế, nếu không có công nghệ này, bạn sẽ không thể nhìn thấy các ngôi sao. Với công nghệ này đột nhiên bạn có thể nhìn thấy nó. Công nghệ này hoạt động bởi đưa một tấm gương vào trong hệ thống quang học của kính viễn vọng nó liên tục thay đổi để chống lại việc mà bầu khí quyển đang làm với bạn. Như thế, nó là một loại kính mắt tưởng tượng cho kính viễn vọng của bạn.

Bây giờ, trong vài bảng chiếu tiếp theo tôi sẽ chỉ tập trung vào ô vuông bé đó. Vậy, chúng ta sẽ chỉ nhìn vào những ngôi sao bên trong hình vuông nhỏ đó, mặt dù chúng ta đã nhìn tất cả chúng. Tôi muốn xem những thứ đó di chuyển như thế nào. và thông qua quá trình của cuộc thử nghiệm này những ngôi sao đó đã di chuyển ghê gớm. Chúng tôi đã làm cuộc thử nghiệm này trong 15 năm, và thấy các ngôi sao đi tất cả các đường xung quanh.

Bây giờ hầu hết các nhà thiên văn đều có một ngôi sao ưa thích, và ngôi sao của tôi hôm nay được dán nhãn SO-2 ở kia. Chắc chắn rằng là ngôi sao ưa thích của tôi trên thế giới là vì nó đi vòng quanh chỉ trong 15 năm. Và để đưa cho bạn ý niệm ngắn là như thế nào, Mặt trời mất 200 triệu năm để đi 1 vòng quanh trung tâm của giải Ngân hà. Những ngôi sao chúng ta biết trước đây, những cái gần trung tâm của giải ngân hà cũng mất 500 năm. riêng nó,nó đi một vòng chỉ trong thời gian sống của 1 con người. điều đó thật ấn tượng, theo một cách nào đó.

Nhưng nó là chìa khóa của cuộc thử nghiệm này. Quỹ đạo của nó nói cho tôi biết bao nhiêu khối lượng trong một bán kính rất nhỏ. Do vậy, tiếp theo chúng ta xem một tấm hình chỉ cho bạn thấy trước cuộc thử nghiệm này kích cỡ mà chúng ta có thể xác định khối lượng của trung tâm thiên hà. Điều chúng ta biết trước đây là có 4 triệu lần khối lượng của mặt trời trong vòng tròn đó. Và như bạn có thể thấy, còn có nhiều những thứ khác bên trong vòng tròn. Bạn có thể thấy rất nhiều ngôi sao. Do dó, thực sự có rất nhiều sự lựa chọn cho ý tưởng có 1 siêu lỗ đen ở trung tâm của thiên hà, bởi vì bạn có thể đặt nhiều thứ vào đó.

Nhưng với cuộc thử nghiệm này chúng ta đã khẳng định rằng cùng khối lượng trong một thể tích nhỏ hơn nhiều đến 10 ngàn lần. Vì vậy, chúng ta có thể chỉ ra rằng có một siêu lỗ đen ở đó. Để giúp các bạn hiểu kích cỡ nhỏ là như thế nào, đó chính là kích cỡ hệ mặt trời của chúng ta. Chúng ta đang nhồi 4 triệu lần khối lượng của mặt trời vào một đơn vị nhỏ.

Bây giờ, sự thật trong quảng cáo. Có đúng không? Tôi đã nói với bạn công việc của tôi là đưa nó xuống bán kính lực hấp dẫn (Schwarzchild).♫ và sự thật là, tôi không hoàn toàn chắc chắn. nhưng chúng ta thực sự không có cách nào hôm nay để giải thích về sự tập trung khối lượng. và, thực tế, nó là bằng chứng tốt nhất chúng ta có cho đến nay cho không chỉ sự tồn tại của siêu lỗ đen ở trung tâm giải Ngân hà của chúng ta, mà còn trong toàn vũ trụ. vậy, cái gì tiếp theo đây? Tôi thực sự nghĩ đấy là chúng ta sẽ làm tốt với công nghệ ngày nay, do vậy hãy cùng chuyển sang vấn đề.

Cái mà tôi muốn nói với bạn, rất ngắn gọn là một vài ví dụ về trạng thái cảm xúc của thứ mà chúng ta có thể làm ngày nay♫ ở trung tâm của thiên hà, bây giờ chúng ta biết là có hay ít nhất là chúng ta tin là có một siêu lỗ đen ở đó. Và giai đoạn thú vị của cuộc thử nghiệm này là, trong khi chúng ta đã kiểm tra một vài ý tưởng về tầm quan trọng của siêu lỗ đen ở trung tâm giải Ngân hà của chúng ta, hầu như từ cái một mâu thuẫn với cái mà chúng ta thực sự nhìn thấy. Và đó là điều thú vị.

Vậy nên tôi sẽ đưa cho bạn hai ví dụ. Bạn có thể hỏi, "Bạn mong chờ điều gì từ những ngôi sao già, những ngôi sao gần trung tâm của thiên hà trong một thời gian dài, chúng có đủ thời gian để tương tác với lỗ đen." Bạn mong chờ những ngôi sao già đó sẽ quy tụ gần lỗ đen Bạn nên nhìn nhiều ngôi sao già kế bên lỗ đen đó.

Tương tự cho những ngôi sao trẻ, hoặc khác biệt với những ngôi sao trẻ chúng không nên ở đó. Một lỗ đen không là một người hàng xóm tốt bụng đối với một một nhà trẻ của các ngôi sao.♫ Để một ngôi sao định hình, bạn cần một quả bóng lớn có khí và bụi để sụp đổ♪ và nó là một thực thể rất mỏng manh. Và điều một lỗ đen lớn làm là gì? Nó chuyển đám mây khí đó cách xa nhau. Nó hút mạnh hơn ở một đầu so với đầu bên kia và đám mây bị đẩy cách xa ra. Thực tế, chúng ta dự đoán rằng sự hình thành của các ngôi sao không thể tiếp tục trong môi trường đó.

nên bạn không nhìn được những ngôi sao trẻ. vậy, chúng ta nhìn thấy cái gì? Việc sử dụng sự quan sát không phải là thứ mà tôi chỉ cho bạn ngày hôm nay♫ mà chúng ta có thực sự suy nghĩ ra cái gì là trẻ và cái gì là già. Những ngôi sao già có màu đỏ. Những ngôi sao trẻ màu xanh. Còn màu vàng, chúng ta vẫn chưa biết. Bạn có thể thấy điều bất ngờ Có những cái chết của các ngôi sao già. Có rất nhiều những ngôi sao trẻ, do đó nó trái ngược hẳn với sự tiên đoán.

Đó là phần thú vị. Và thực tế, ngày nay, đó là cái chúng ta đang cố gắng tìm hiểu, điều bí mật này là làm cách nào bạn biết được bạn giải quyết sự mâu thuẫn này như thế nào. Trên thực tế, những sinh viên thực tập của tôi ,ngay lúc này,vào ngày hôm nay, tại kính viễn vọng ở Hawaii, đang theo dõi với hi vọng đưa chúng ta sang 1 giai đoạn khác, nơi chúng ta có thể nói về câu hỏi này rằng tại sao lại có quá nhiều những ngôi sao trẻ, và quá ít những ngôi sao già. Để tạo nên những tiến bộ xa hơn chúng ta thực sự cần nhìn vào các quỹ đạo của những ngôi sao xa hơn. Để làm được điều đó chúng ta chắc chắn cần công nghệ phức tạp hơn chúng ta đang có ngày nay.

Bởi vì, sự thật, trong khi tôi nói chúng ta đang làm giảm ảnh hưởng của khí quyển Trái đất, thì chúng ta thực sự mới chỉ chỉnh được một nửa những sai sót đã được giới thiệu. Chúng ta làm điều này bằng cách bắn tia lazer vào bầu khí quyển, và chúng ta nghĩ điều có thể làm là nếu chúng ta chiếu sáng nhiều hơn thì chúng ta có thể chỉnh sửa phần còn lại. vậy đây là điều chúng ta hi vọng sẽ làm được trong vài năm tới. và trong phạm vi thời gian dài hơn, chúng ta hi vọng có thể xây dựng những kính viễn vọng lớn hơn, bởi vì, các bạn nhớ chứ, trong thiên văn học càng lớn càng tốt.

Nên chúng ta muốn xây dựng một kính viễn vọng 30 m. và với kính viễn vọng này chúng ta có thể nhìn thấy cả những ngôi sao ở gần trung tâm của thiên hà. Và chúng ta hi vọng có thể kiểm chứng một vài điều trong thuyết tương đối của Einstein, một số ý tưởng trong vũ trụ học về sự hình thành của những thiên hà. Do vậy, chúng tôi nghĩ tương lai của thử nghiệm này hoàn toàn rất thú vị.

Vì vậy, trong phần kết luận, tôi sẽ cho bạn thấy một hình ảnh động mà về cơ bản sẽ cho bạn thấy cách những quỹ đạo chuyển động, trong ba kích thước. Và tôi hi vọng, nếu không còn gì khác, tôi đã thuyết phục các bạn rằng, một là, trên thực tế có một siêu lỗ đen tại trung tâm của thiên hà. Và nó có nghĩa là những thứ đang tồn tại trong vũ trụ, và chúng ta phải đấu tranh với nó, chúng ta phải giải thích làm thế nào bạn có được những vật thể trong thế giới vật chất của chúng ta.

Hai là, chúng ta có thể nhìn thấy sự tương tác giữa siêu lỗ đen tác động qua lại như thế nào♫ và hiểu, có lẽ, vai trò chúng đóng góp trong việc cấu thành những thiên hà, và cách nó hoạt động.

Và, cuối cùng, nhưng đặc biệt, không điều gì có thể xảy ra nếu không có sự ra đời của những tiến bộ to lớn được làm nên từ mặt trận công nghệ. Và chúng ta cho rằng đó là một lĩnh vực đang chuyển biến cực kỳ nhanh, và tạo tiền đề cho tương lai Cám ơn rất nhiều. (Tiếng vỗ tay)