Einstein lại đúng: Ngôi sao quay quanh lỗ đen đúng như thuyết tương đối rộng

Sau gần 30 năm, các quan sát mới của Kính viễn vọng rất lớn (VLT- Very Large Telescope) cho thấy các ngôi sao di chuyển trên quỹ đạo hình hoa hồng (rosette-shaped) như thuyết tương đối rộng của Einstein dự báo. 

Gần đây với sự hợp tác của Kính viễn vọng rất lớn (VLT- Very Large Telescope) ở sa mạc Atacama, Chile, các nhà khoa học đã lần đầu tiên đo được, quỹ đạo độc nhất của một ngôi sao quay quanh lỗ đen siêu trọng tại trung tâm Dải ngân hà của chúng ta. Dự án này đã phải mất gần 30 năm để thực hiện.

Đường đi của ngôi sao (tên là S2) tạo ra một hình hoa hồng đặc trưng (rosette, tương tự như đường spirograph), phù hợp với một trong những dự đoán trung tâm của thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein. Nhóm nghiên cứu đa quốc gia đã mô tả kết quả của họ trong một bài báo mới trên Tạp chí Thiên văn học và Vật lý Thiên văn (Astronomy and Astrophysics)

“Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng, các quỹ đạo ràng buộc của một vật thể xung quanh một vật thể khác là không bị đóng kín như được mô tả trong định luật về lực hấp dẫn của Newton, mà là tiến động (precess) lên trong mặt phẳng chuyển động,” Reinhard Genzel, giám đốc của Viện Vật lý ngoài Trái đất (MPE – Extraterrestrial Physics), Đức cho biết. “Hiệu ứng nổi tiếng này được nhìn thấy lần đầu tiên trên quỹ đạo của hành tinh Sao Thủy quanh Mặt trời – là bằng chứng đầu tiên ủng hộ thuyết tương đối rộng. 100 năm sau, chúng ta đã phát hiện ra hiệu ứng tương tự trong chuyển động của một ngôi sao quay quanh nguồn phát vô tuyến thiên văn rất đặc Sagittarius A* (lỗ đen siêu trọng) ở trung tâm Dải Ngân hà.”

Khi Einstein phát triển thuyết tương đối tổng quát, ông đã đề xuất ba bài kiểm tra kinh điển để xác nhận tính hợp lý của lý thuyết này. Một là sự chệch hướng của ánh sáng bởi Mặt Trời. Vì bề mặt các thiên thể lớn cong (wrap) và không-thời gian cong, ánh sáng sẽ đi theo một đường cong quanh các vật thể lớn. Dự đoán này đã được xác nhận vào nhật thực năm 1919, nhờ vào khám phá của Ngài Arthur Eddington để đo độ lệch hấp dẫn của ánh sáng các ngôi sao đi qua gần Mặt trời. Sự xác nhận này đã được báo chí đưa tin trên khắp thế giới và Einstein đã trở thành một cái tên nổi tiếng.

Thuyết tương đối rộng cũng dự đoán ánh sáng sẽ bị ngả sang màu đỏ (redshift) dưới sự tác động của các trường lực hấp dẫn mạnh. Điều đó lần đầu tiên được xác nhận với phép đo ánh sáng của ngôi sao lùn trắng năm 1954.

>> Einstein lại đúng: Lỗ đen làm đổi màu ánh sáng từ ngôi sao

Bài kiểm tra thứ ba là sự tiên đoán của quỹ đạo hình elip khá kỳ dị của Sao Thủy quanh Mặt trời. Cứ sau 100 năm, điểm cận nhật (perihelion), hoặc điểm gần Mặt trời nhất của hành tinh này, trôi đi khoảng 0,001 độ, nhờ lực hấp dẫn của các hành tinh khác.

Hiệu ứng này cũng là cách mà các nhà thiên văn học sử dụng để cuối cùng phát hiện ra sao Hải Vương. Các nhà thiên văn học đã nhận thấy một số nhiễu loạn kỳ lạ trên quỹ đạo của Sao Thiên vương, và nhà toán học người Pháp thế kỷ 19 Urbain Le Verrier đã suy luận chính xác đó là do có một hành tinh khác; dự đoán năm 1845 của ông đã được xác nhận bởi quan sát vào tháng 9 năm 1846.

Le Verrier cũng đã cố gắng mô hình hóa quỹ đạo của Sao Thủy theo định luật lực hấp dẫn của Newton, được đưa vào thử nghiệm trong quá trình Sao Thủy đi qua Mặt Trời năm 1843. Mô hình của ông đã thất bại trong bài kiểm tra đó và ông cho rằng, sự sai lệch là do có một hành tinh giả định chưa được khám phá gần Mặt trời hơn. Hành tinh giả thuyết đó được đặt tên là Vulcan. Nhưng trong những thập kỷ tiếp theo, không có quan sát nào xác nhận một hành tinh như vậy. Chính Einstein đã chỉ ra rằng thuyết hấp dẫn của Newton chưa hoàn chỉnh. Thuyết tương đối rộng giải thích chính xác cho quỹ đạo quan sát được của Sao Thủy.

Nếu những dự đoán chính về thuyết tương đối rộng đã được xác nhận bằng thực nghiệm, tại sao các nhà khoa học rất muốn tiếp tục thử nghiệm chúng? Bởi vì có những môi trường kỳ lạ ngoài hệ mặt trời của chúng ta, ví dụ, lực hấp dẫn cực độ của một lỗ đen siêu trọng, nơi mà các định luật vật lý có thể không hoàn toàn giống nhau. Lỗ đen SagA* là nơi hoàn hảo để nghiên cứu điều này, đặc biệt là với các cụm sao dày đặc quay quanh nó. Một trong những ngôi sao được đặc biệt quan tâm là S2, vì nó đến khá gần hố đen trong quỹ đạo gần hố đen nhất (dưới 20 tỷ km).

Nhóm các nhà khoa học ở kính viễn vọng VLT đã có thể phát hiện ánh sáng mờ xung quanh lỗ đen khi S2 đi qua trong những lần quan sát đầu tiên về ngôi sao. Khoảng hai năm sau, vào năm 2018, họ đã đo thành công dịch chuyển đỏ (redshift) hấp dẫn của S2, ở đó lực hấp dẫn mạnh của lỗ đen kéo ánh sáng của ngôi sao đến bước sóng dài hơn khi nó đi qua. Các quan sát hồng ngoại bằng công cụ GRAVITY, SINFONIA và NACO của VLT cho thấy mức độ ánh sáng dịch chuyển phù hợp chính xác với dự đoán của thuyết tương đối rộng.

Giống như hiệu ứng dịch chuyển đỏ, sự tiến động của quỹ đạo của S2 rất nhỏ, có nghĩa là nó đòi hỏi thời gian quan sát lâu hơn để các nhà thiên văn học có thể phát hiện ra chúng. S2 hoàn thành một quỹ đạo cứ sau 16 năm. Nhóm nghiên cứu cuối cùng đã thu thập đủ các điểm dữ liệu về vị trí của ngôi sao và vận tốc – tổng cộng có trên hơn 330 phép đo – để xác định chính xác quỹ đạo của nó. Và đúng như dự đoán của thuyết tương đối rộng, mỗi lần S2 đi sát vào lỗ đen siêu lớn, nó lại bị một “cú đá (kick)” hấp dẫn, khiến quỹ đạo của nó thay đổi rất ít, do đó, đường quỹ đạo hình thành nên hình dạng hoa hồng đẹp mắt.

“Kết quả trước đây của chúng tôi đã chỉ ra rằng ánh sáng phát ra từ ngôi sao đã chịu ảnh hưởng của thuyết tương đối rộng. Bây giờ chúng tôi đã chứng minh rằng chính ngôi sao cũng chịu tác động của thuyết tương đối rộng”, Paulo Garcia thuộc Trung tâm vật lý thiên văn và luc65 hấp dẫn Bồ Đào Nha, một trong những nhà khoa học hàng đầu nói về Lực Hấp Dẫn cho biết.

Trong giai đoạn tới, các nhà khoa học có khả năng sẽ nhìn thấy nhiều hơn các ngôi sao sáng mờ gần lỗ đen siêu trọng nhờ Kính thiên văn cực lớn. “Nếu may mắn, chúng ta có thể chụp các ngôi sao đủ gần để chúng thực sự cảm nhận được sự chuyển động quay (rotate), và tự quay (spin), của lỗ đen”, Andreas Eckart, một nhà khoa học chính khác của dự án nói, điều đó cho phép các nhà thiên văn học đo lường được sự tự quay và khối lượng của lỗ đen Sagittarius A* cũng như xác định không gian và thời gian xung quanh nó. “Đó sẽ lại là một cấp độ hoàn toàn khác của việc kiểm tra thuyết tương đối.”

Theo Arstechnica và Tạp chí Thiên văn học và Vật lý Thiên văn 2020
Thiện Tâm biên dịch