Không giống như nhiều nhà thiên văn học, Erin Kara lớn lên không bị choáng ngợp bởi các vì sao. Cô nói: “Tôi không có câu chuyện về việc một đứa trẻ nhìn lên các vì sao và muốn làm điều này, điều này khiến tôi hơi lo lắng. “Điều đó có khiến tôi trở thành kẻ giả mạo không?”

Nhưng sau khi khám phá vật lý thiên văn khi còn là sinh viên, Kara đã bị cuốn hút. Hiện nay một nhà vật lý thiên văn quan sát tại Viện Công nghệ Massachusetts, cô đến thăm một lãnh thổ đáng kinh ngạc. Như phi hành gia trong phim Giữa các vì sao, cô khám phá những khu vực gần các lỗ đen khổng lồ. Mục tiêu của cô là hiểu rõ hơn về cách các lỗ đen đó hoạt động và cách chúng liên tục định hình lại các thiên hà trong vũ trụ.

Với khối lượng tương đương hàng triệu hoặc hàng tỷ mặt trời, các lỗ đen siêu lớn ẩn nấp ở trung tâm của hầu hết mọi thiên hà. Về mặt năng lượng, những lỗ đen này giống như những trái tim tối tăm đang đập của các thiên hà.

“Chúng không chỉ để trang trí. Họ không chỉ ngồi đó một cách thụ động,” Kara nói. “Họ thực sự đang chỉ ra cách thiên hà phát triển và tại sao thiên hà lại trông như vậy.”

Kara cố gắng tìm hiểu môi trường gần những lỗ đen này, nơi phần lớn năng lượng của chúng được giải phóng. Ví dụ, bằng cách theo dõi cẩn thận khí và plasma xoáy gần lỗ đen – tạo thành cái được gọi là đĩa bồi tụ – cô ấy có thể ước chừng khối lượng của lỗ đen. Khí và plasma ở gần đó cũng có thể giúp tiết lộ cách các lỗ đen hấp dẫn tạo ra các cấu trúc vũ trụ cực đoan như các tia tương đối tính – những chùm plasma siêu nóng khổng lồ được gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng.

Nhưng có một vấn đề lớn mà Kara và các nhà nghiên cứu khác phải khắc phục: Những lỗ đen mục tiêu này ở quá xa nên các kỹ thuật hình ảnh thông thường không thể giải quyết được môi trường xung quanh ngay lập tức của chúng. Để tái tạo lại môi trường trực tiếp xung quanh lỗ đen, Kara sử dụng ánh sáng tia X phát ra từ đĩa bồi tụ. Cô đo lường độ trễ tinh tế khi ánh sáng đó tới Trái đất. Bằng cách đó, cô có thể suy ra cấu trúc của chất khí và plasma với độ phân giải vượt trội. Công trình của Kara về phương pháp này – được gọi là lập bản đồ âm vang – đã phơi bày sự kiếm ăn điên cuồng của các lỗ đen một cách chi tiết chưa từng có, với những phát hiện bao gồm “tiếng vang” tia X đầu tiên từng nhìn thấy từ một lỗ đen xé nát một ngôi sao. Kara nhận được giải thưởng 2022 của Hiệp hội Thiên văn Hoa Kỳ Giải thưởng Newton Lacy Pierce, công nhận những thành tựu nổi bật trong thiên văn học quan sát trong 5 năm trước đó.

Tạp chí Quanta gần đây đã nói chuyện với Kara về con đường đến với khoa học của cô ấy, những chi tiết cơ bản về lập bản đồ âm vang cũng như những lỗ đen khiến cô ấy thức đêm. Cuộc phỏng vấn đã được cô đọng và chỉnh sửa cho rõ ràng.

Bạn dành nhiều thời gian để suy nghĩ về các lỗ đen, đến mức bạn thậm chí chuyển đổi mô phỏng của chúng thành âm thanh. Nhiều người nghĩ về lỗ đen là “kỳ lạ”, “ma quái” hoặc “kỳ lạ”. Bạn có mua đặc tính đó không?

Có định kiến ​​cho rằng lỗ đen là thứ kinh tởm mà tất cả chúng ta đều phải sợ hãi, nhưng điều đáng kinh ngạc là lỗ đen thực sự mang lại sự sống cho chúng ta, nếu bạn muốn đưa nó đến mức độ trừu tượng đó. Lý do tất cả chúng ta ở đây là vì khí trong thiên hà của chúng ta được phân bổ sao cho các ngôi sao có thể hình thành, cuối cùng dẫn đến hành tinh mà chúng ta đang sống. Theo một cách nào đó, điều này được quyết định bởi lỗ đen trung tâm thiên hà của chúng ta.

Lỗ đen không phải là sự tàn lụi và sự kết thúc của mọi thứ. Theo một cách nào đó, chúng thực sự là một sự khởi đầu.

Ở cấp độ bức tranh toàn cảnh, câu hỏi nào về lỗ đen mà bạn quan tâm nhất để giải quyết?

Nếu bạn hiểu cách các dòng khí hoạt động trong không-thời gian cong mạnh xung quanh lỗ đen thì bạn có thể sử dụng thông tin đó để đo các tính chất cơ bản của lỗ đen: khối lượng và tốc độ quay của nó, thước đo tốc độ quay của nó.

Bạn có thể mô tả cấu trúc chung của các lỗ đen mà bạn đang quan sát không?

Tất cả đều được bao quanh bởi các đĩa khí và bụi. Những đĩa bồi tụ này có thể tự nóng lên đủ nóng để phát ra bức xạ quang học và tia cực tím, nhưng chúng không đủ nóng để tạo ra tia X. Những gì chúng ta thấy bằng kính thiên văn là các lỗ đen đang tích tụ - đang trong quá trình tiêu thụ những đĩa đó - luôn tạo ra tia X. Nếu bạn nhìn thấy tia X từ cách xa một tỷ năm ánh sáng, có thể đó là từ một lỗ đen siêu lớn đang bồi tụ.

Làm thế nào các lỗ đen tạo ra những tia X đó?

Chúng ta biết rằng phải có một lượng plasma năng lượng thực sự cao xung quanh lỗ đen đang tạo ra các photon tia X này. Chúng tôi gọi đó là vầng hào quang - giống như plasma nóng bao quanh mặt trời. Vành nhật hoa của lỗ đen giống như chiếc vương miện trên đĩa bồi tụ. Nó có thể trở nên cực kỳ nóng và tạo ra rất nhiều tia X. Vật chất trong đĩa bồi tụ có nhiệt độ khoảng một triệu kelvin, nhưng quầng hào quang là một tỷ kelvin. Chúng ta thực sự không biết nhiều về loại hào quang này và một trong những câu hỏi lớn là: Nó hình thành như thế nào? Hình học của nó là gì?

Vậy làm thế nào kỹ thuật bạn sử dụng, lập bản đồ dội lại, có thể đi từ thu thập tia X đến phát hiện quầng sáng và môi trường xung quanh nó?

Bạn có vầng hào quang này xung quanh một lỗ đen, cũng như một đĩa bồi tụ. Và khi quầng sáng chiếu tia X vào đĩa bồi tụ lạnh hơn đó, nó khiến các ion trong đĩa tự phát ra tia X, chủ yếu thông qua huỳnh quang.

Về cơ bản, những tia X thứ cấp này giống như tiếng vang của ánh sáng nên chúng ta gọi chúng là tiếng vọng dội lại. Những gì chúng tôi đang làm là đo độ trễ thời gian giữa tia sáng tia X sơ cấp từ quầng sáng và tiếng vang tương ứng từ đĩa bồi tụ. Nếu chúng ta có thể đo được những tiếng vang đó thì chúng ta có thể tái tạo lại hình ảnh xung quanh lỗ đen.

Nó giống như cách loài dơi sử dụng khả năng định vị bằng tiếng vang. Họ không thể nhìn thấy hang động tối tăm mà họ đang bay qua, nhưng họ biết rằng tiếng vang sẽ quay trở lại với họ với độ trễ nhất định và họ có thể sử dụng thực tế là tiếng vang đang truyền đi với tốc độ âm thanh để vạch ra Hang tối. Chúng tôi đang làm điều đó, ngoại trừ việc ánh sáng truyền đi với tốc độ ánh sáng.

Tôi định nói, những bức tường xung quanh con dơi không chuyển động với tốc độ tương đối tính, nên tôi tưởng tượng rằng mọi thứ sẽ nguy hiểm hơn một chút khi bạn làm điều này.

[Cười.] Nó phức tạp hơn thế một chút, chỉ hơi…

Vậy thì cần phải làm gì để chuyển từ dữ liệu của bạn - các photon tia X trong một thùng - tới bản đồ khu vực xung quanh lỗ đen?

Ban đầu, chúng tôi chỉ tìm kiếm một phạm vi bước sóng tia X mà chúng tôi biết bị chi phối bởi sự phát xạ từ nhật hoa và một phạm vi mà chúng tôi biết bị chi phối bởi tiếng vang đó. Chúng tôi nhận thấy rằng nếu bạn chuyển đổi độ trễ thời gian giữa các phạm vi đó thành khoảng cách để ánh sáng truyền đi, thì nó gần tương ứng với việc lập bản đồ các dòng khí rất gần với lỗ đen - thứ nằm trong bán kính gấp vài lần chân trời sự kiện.

Bây giờ chúng tôi cố gắng tạo ra nhiều mô phỏng khác nhau về hệ thống đĩa bồi tụ hào quang và sau đó xác định những mô phỏng giống với dữ liệu mà chúng tôi thấy. Chúng tôi thực hiện điều này bằng cái được gọi là mô phỏng dò tia tương đối tính tổng quát. Mô phỏng dò tia được sử dụng trong tất cả các loại trò chơi điện tử và đó là cùng một loại nguyên tắc: Chúng tôi lấy một điểm làm mô hình cho vành nhật hoa, chúng tôi chiếu các tia sáng từ nó theo mọi hướng khác nhau và chúng tôi chỉ đi theo nơi có ánh sáng đó. tia đi. Một số trong số chúng sẽ đi đến một người quan sát ở xa, và một số trong chúng sẽ rơi vào đĩa, chiếu xạ vào đĩa, sau đó bật ra và phản xạ vào mặt phẳng của kính thiên văn.

Chẳng hạn, việc lập bản đồ âm vang khác với những gì Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện đã làm để thu được hình ảnh trực tiếp về các lỗ đen như thế nào?

Kính thiên văn Chân trời Sự kiện thật tuyệt vời khi chụp ảnh các lỗ đen ở trung tâm thiên hà của chúng ta và M87, nhưng nó thực sự chỉ có thể chụp được hai lỗ đen đó. Hơn thế nữa, nếu chúng ta muốn giải đáp câu hỏi lỗ đen phát triển như thế nào, chúng ta cần xem xét các lỗ đen đang phát triển tích cực ngay bây giờ - hay nói đúng hơn là các lỗ đen cực kỳ sáng trong tia X.

Lỗ đen ở trung tâm thiên hà của chúng ta chắc hẳn đã trải qua giai đoạn này khi nó đang tích cực phát triển và ăn rất nhiều vật chất. Hiện tại, nó không làm được điều đó - và chính vì nó không phát triển nhiều nên Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện có thể chụp ảnh trực tiếp nó. Để nghiên cứu những lỗ đen đang phát triển tích cực, nơi có vật chất mật độ cao lao về phía lỗ đen, chúng ta cần một kỹ thuật khác. Và đó là lúc cần có bản đồ âm vang.

Có bất kỳ lỗ đen cụ thể nào mà bạn đã xem xét mà bạn thấy nổi bật vì có nhiều thông tin đặc biệt không?

Chiến thuật nghiên cứu chung của tôi là tìm ra các lỗ đen hoạt động theo cách mà chúng ta mong đợi. Nếu bạn có thể hiểu chi tiết về những hệ thống đó và bạn có thể thực sự theo dõi rõ ràng hình học xung quanh lỗ đen thì bạn có thể thực hiện các phép đo chính xác về khối lượng và độ quay của lỗ đen.

Một trong những mục yêu thích của tôi hiện nay là hệ nhị phân tia X có tên MAXI J1820+070. Nó không phải là một lỗ đen siêu lớn; nó chỉ gấp 10 lần khối lượng mặt trời. Nó nằm trong một hệ thống đồng hành với một ngôi sao và nó đang hút khí ra khỏi ngôi sao đó và tạo thành một đĩa bồi tụ và một quầng hoa. Nó chỉ là một hệ thống rất sạch và rất gần Trái đất: Đối với chúng ta, nó sáng hơn khoảng một nghìn lần so với những lỗ đen siêu lớn này.

Và mặt khác, lỗ đen nào nổi bật với bạn là đặc biệt cực đoan hoặc đặc biệt kỳ lạ?

Tôi thích nghiên cứu những người bình thường, và sau đó tôi thích cải tiến mọi thứ và xem mọi thứ sẽ hỏng ở đâu. Điều thực sự thú vị là những hệ thống kỳ quặc khiến bạn thức đêm tự hỏi: Làm thế quái nào mà thiên nhiên lại để điều đó xảy ra? Và nguồn khiến tôi thức đêm có tên là ASASSN-18el, một lỗ đen siêu lớn.

ASASSN-18el được tìm thấy bởi cuộc khảo sát toàn bầu trời ASAS-SN khi một trong những lỗ đen trông có vẻ bình thường này rồi đột nhiên bùng phát điên cuồng. Chúng tôi bắt đầu quan sát nó bằng quang học, tia cực tím và rất nhiều quan sát bằng tia X, và mọi chuyện hoàn toàn trở nên khó khăn. Nó có những đợt bùng phát ban đầu này, và sau đó nó tắt - giống như độ sáng giảm bốn bậc độ lớn. Và sau đó nó bật trở lại và trở thành nguồn tia X sáng nhất trên bầu trời ngoài thiên hà trong khoảng một năm, rồi nó lại bắt đầu tắt. Bây giờ có vẻ như nó có thể được bật lại.

Chúng tôi nghĩ rằng khoảng thời gian để một thứ gì đó tắt đi theo bốn bậc độ lớn sẽ ít nhất là hàng triệu năm. Tuy nhiên, chúng tôi đã thấy điều đó xảy ra trong một năm - hoặc trong một vài tháng. Làm thế nào mà chuyện như thế lại xảy ra được?

Về mặt lịch sử, những gì chúng ta biết về những lỗ đen siêu lớn đang bồi tụ này - được gọi là nhân thiên hà đang hoạt động - chúng ta đã học được từ các cuộc khảo sát nơi thỉnh thoảng chúng ta quan sát chúng. Nhưng bây giờ chúng tôi có những cuộc khảo sát toàn bộ bầu trời đang quét bầu trời vài lần một tuần và chúng tôi chỉ nhìn chằm chằm vào những lỗ đen này, xem chúng làm gì. Và hóa ra là khi chúng ta không nhìn vào họ, họ đang làm đủ thứ điều điên rồ. Bây giờ chúng tôi cuối cùng cũng nhận ra điều đó.

Điều gì đã thúc đẩy bạn bước vào thiên văn học và nghiên cứu các lỗ đen, và điều gì khiến bạn có cảm hứng đến ngày hôm nay?

Điều thực sự khiến tôi hào hứng khi theo đuổi thiên văn học là khía cạnh khám phá: Thật là vô cùng hồi hộp khi là người đầu tiên nhìn thấy ánh sáng phát ra từ xung quanh một lỗ đen cách đây một tỷ năm. Thật ngạc nhiên. Làm thế nào mà những con người nhỏ bé như chúng ta có thể nghĩ về những điều này, hoặc cùng nhau xây dựng những công nghệ để trả lời một số câu hỏi cơ bản to lớn mà con người đã đặt ra kể từ khi con người bắt đầu có tư duy?

Và tôi yêu thích khía cạnh cộng đồng trong việc gắn kết mọi người lại với nhau vì một mục tiêu chung. Chúng tôi có ý tưởng này về “khoa học” là gì - rằng bạn giống như đang ngồi một mình và được truyền cảm hứng từ thiên tài sáng tạo của chính mình, và bạn đã tự mình thực hiện tất cả những khám phá này. Nhưng đó không phải là điều siêu truyền cảm hứng về nó. Đối với tôi, đó là chúng ta có thể làm việc cùng nhau và sử dụng kiến ​​thức chuyên môn của nhau để tạo ra thứ gì đó lớn lao hơn bất kỳ ai trong chúng ta.