Từ thời Einstein, hố đen (black hole) vẫn là biểu tượng của giới hạn tri thức — nơi không gian và thời gian bị bẻ cong đến cực độ, nơi ánh sáng không thể thoát ra, và nơi vật lý cổ điển mất hiệu lực. Việc quan sát trực tiếp hai hố đen cùng lúc từng được xem là bất khả thi: quá xa, quá nhỏ, và quá mờ so với năng lực của mọi kính thiên văn.
Thế nhưng, năm 2025, giới khoa học đã làm được điều tưởng như phi lý đó. Một nhóm nghiên cứu quốc tế, dẫn đầu bởi Giáo sư Mauri Valtonen (Đại học Turku, Phần Lan), đã công bố hình ảnh hai hố đen siêu nặng đang quay quanh nhau trong quasar OJ287, cách Trái Đất khoảng 5 tỷ năm ánh sáng.
Công trình, đăng trên The Astrophysical Journal, không chỉ xác nhận một giả thuyết kéo dài hơn 40 năm, mà còn mở ra cánh cửa cho vật lý hấp dẫn, sóng hấp dẫn và sự tiến hóa thiên hà.
I. Quasar là gì? – Nguồn sáng khổng lồ từ những vực sâu không gian
1. Từ “ngôi sao lạ” đến trái tim của vũ trụ
“Quasar” (quasi-stellar object) được đặt tên từ thập niên 1960, khi các kính thiên văn vô tuyến phát hiện những vật thể sáng rực như sao, nhưng lại ở khoảng cách hàng tỷ năm ánh sáng. Năng lượng phát ra từ một quasar có thể gấp hàng nghìn lần cả thiên hà Milky Way, dù kích thước của nó chỉ bằng vùng quanh một hố đen siêu nặng.
Trung tâm mỗi quasar là một hố đen siêu nặng (supermassive black hole) – có khối lượng từ hàng triệu đến hàng tỷ lần Mặt Trời. Khi vật chất xung quanh (khí, bụi, sao bị xé toạc) rơi vào, nó bị ma sát và nén đến nhiệt độ hàng triệu độ, tạo nên đĩa bồi tụ (accretion disk) phát sáng cực mạnh trong quang phổ khả kiến, tia X và vô tuyến.
2. Quasar OJ287 – Ngọn đuốc giữa đêm vũ trụ
OJ287 nằm trong chòm sao Cự Giải (Cancer), sáng đến mức ngay cả kính thiên văn nghiệp dư cũng có thể nhìn thấy. Nhưng điều khiến nó đặc biệt là sự dao động độ sáng theo chu kỳ 12 năm – một “nhịp tim” đều đặn mà ít quasar khác có được.
Những biến thiên này chính là manh mối để các nhà vật lý suy luận rằng: OJ287 chứa hai hố đen quay quanh nhau, và mỗi khi hố đen nhỏ xuyên qua đĩa bồi tụ của hố đen lớn, ánh sáng bùng phát mạnh – tạo nên những “đợt sáng kép” đặc trưng mà nhân loại ghi nhận suốt hơn một thế kỷ.
II. Lịch sử khám phá OJ287 – Từ bức ảnh “tình cờ” thế kỷ 19 đến bài toán tương đối rộng
OJ287 được ghi lại lần đầu trong những bức ảnh thiên văn thế kỷ 19, khi khái niệm “hố đen” còn chưa tồn tại. Chỉ đến năm 1982, Aimo Sillanpää, khi ấy là nghiên cứu sinh tại Đại học Turku, mới phát hiện chu kỳ sáng 12 năm kỳ lạ của thiên thể này.
Ông cùng nhóm của mình nhanh chóng đề xuất giả thuyết: hệ hai hố đen siêu nặng đang tương tác – một nhỏ, một lớn, di chuyển quanh nhau trong quỹ đạo lệch tâm.
Trong hàng chục năm sau đó, hàng loạt mô hình toán học đã được xây dựng để giải thích các pha sáng – tối, nhưng vẫn còn thiếu một bằng chứng hình ảnh trực tiếp.
Năm 2018, Lankeswar Dey, nhà nghiên cứu trẻ đến từ Mumbai (Ấn Độ), cộng tác với nhóm Turku, đã tạo nên mô hình quỹ đạo chính xác nhất cho đến nay, dựa trên tương đối rộng của Einstein và hiệu ứng phản lực hấp dẫn. Dey dự đoán rằng hai hố đen này sẽ nằm ở vị trí xác định trong khoảng năm 2022–2025, và nếu quan sát vô tuyến đủ độ phân giải, ta có thể thấy cả hai.
III. Công nghệ đột phá: RadioAstron và phép giao thoa vô tuyến không gian (Space VLBI)
1. Từ giới hạn của Trái Đất đến tầm nhìn xuyên không gian
Quan sát hai hố đen riêng biệt đòi hỏi độ phân giải gấp 100.000 lần kính thiên văn quang học. Điều này chỉ có thể đạt được bằng kỹ thuật giao thoa vô tuyến cực dài (VLBI – Very Long Baseline Interferometry), khi nhiều kính thiên văn trên khắp Trái Đất hoạt động đồng bộ, tạo thành một “siêu ăng-ten” có đường kính tương đương khoảng cách giữa các trạm.
Dự án RadioAstron, do Nga dẫn đầu, đưa công nghệ này lên cấp độ vũ trụ. Vệ tinh của nó mang theo ăng-ten vô tuyến khổng lồ, bay tới nửa khoảng cách Trái Đất – Mặt Trăng, cho phép mở rộng “đường kính” quan sát lên tới 350.000 km.
2. OJ287 dưới ống kính không gian
Khi hệ thống RadioAstron hướng về OJ287, dữ liệu thu được cho thấy ba điểm sáng nổi bật:
- Hai điểm sáng ở phía dưới chính là vùng phát vô tuyến của hai hố đen;
- Điểm sáng phía trên là tia vật chất (jet) phóng ra từ hố đen nhỏ hơn;
- Khi so sánh với mô hình của Dey, các vị trí này khớp hoàn toàn với dự đoán – xác nhận rằng nhóm đã “bắt” được đúng thời điểm hai hố đen xuất hiện riêng biệt.
Hình ảnh này, công bố năm 2025, được xem là cột mốc vàng của ngành thiên văn vô tuyến, sánh ngang với ảnh M87* (2019) và Sagittarius A* (2022) của dự án Event Horizon Telescope.
IV. Hố đen kép và “đuôi vẫy” – Hiện tượng chưa từng thấy trong vũ trụ
Một phát hiện bất ngờ khác từ dữ liệu RadioAstron là sự tồn tại của một kiểu jet hoàn toàn mới phát ra từ hố đen nhỏ.
Thay vì thẳng đứng như jet thông thường, tia này xoắn lại và thay đổi hướng liên tục, như dòng nước từ vòi phun đang xoay tròn. Nhóm nghiên cứu gọi đây là hiện tượng “wagging tail” (đuôi vẫy).
Nguyên nhân: hố đen nhỏ di chuyển quanh hố đen lớn với vận tốc cực cao (~10% tốc độ ánh sáng), khiến hướng phóng tia vật chất thay đổi theo vị trí quỹ đạo.
Điều này đồng nghĩa với việc, trong những năm tới, jet sẽ tiếp tục “lắc” theo nhiều hướng khác nhau – giúp các nhà thiên văn kiểm nghiệm chính xác mô hình chuyển động và định luật hấp dẫn trong điều kiện cực hạn.
V. Giá trị khoa học và ý nghĩa vật lý
1. Kiểm chứng trực tiếp thuyết tương đối rộng của Einstein
Hệ OJ287 là “phòng thí nghiệm tự nhiên” hiếm có, nơi lực hấp dẫn mạnh tới mức các hiệu ứng tương đối rộng (như dịch chuyển thời gian, bẻ cong ánh sáng, và suy giảm quỹ đạo) có thể đo đạc được.
Các chu kỳ bùng sáng của OJ287 đã được dùng để kiểm chứng bức xạ sóng hấp dẫn – đúng như tiên đoán của Einstein rằng hai vật thể khối lượng lớn quay quanh nhau sẽ mất năng lượng và tiến gần dần.
2. Cửa sổ mới cho thiên văn sóng hấp dẫn
Các nhà khoa học dự đoán khi hai hố đen của OJ287 hợp nhất (trong vài chục nghìn năm tới), chúng sẽ phát ra sóng hấp dẫn cỡ nanoHz, mà hiện nay chỉ có các mạng quan sát như NANOGrav, EPTA hay tương lai là LISA (ESA/NASA) có thể phát hiện.
Khi đó, OJ287 sẽ trở thành một trong những nguồn sóng hấp dẫn siêu khổng lồ đầu tiên được quan sát.
3. Gợi mở về tiến hóa thiên hà
Hầu hết các thiên hà đều có hố đen siêu nặng ở trung tâm. Khi hai thiên hà hợp nhất, các hố đen trung tâm của chúng cũng bắt đầu quỹ đạo xoắn ốc tiến gần nhau, tương tự OJ287.
Do đó, việc nghiên cứu hệ này giúp hiểu rõ cách thiên hà phát triển và hợp nhất trong quá trình tiến hóa vũ trụ.
VI. Vai trò con người – Khi các nhà thiên văn theo đuổi một “ánh sáng dao động” suốt 40 năm
Đằng sau bức ảnh là cả một thế hệ khoa học nối tiếp:
- Aimo Sillanpää – người đầu tiên nhận ra nhịp sáng kỳ lạ;
- Mauri Valtonen – người kiên trì theo dõi và xác lập lý thuyết hai hố đen;
- Lankeswar Dey – người trẻ tuổi giải bài toán quỹ đạo bằng công thức của Einstein;
- Và hàng trăm nhà khoa học từ hơn 20 quốc gia vận hành mạng lưới VLBI và RadioAstron.
Đây là minh chứng rõ ràng rằng khoa học thiên văn là hành trình xuyên thế hệ, nơi một quan sát nhỏ cách đây hơn một thế kỷ dẫn đến lời giải mang tầm vũ trụ hôm nay.
VII. Những giới hạn mới của tri thức
OJ287 không chỉ là một quasar, mà là chứng nhân của sự kết nối giữa công nghệ, toán học và trực giác khoa học.
Từ việc “vô tình” ghi nhận trong ảnh thế kỷ 19, đến việc hợp nhất dữ liệu radio giữa Trái Đất và không gian, con người đã chứng minh rằng vũ trụ không còn là ẩn số quá xa tầm tay.
Sự kiện này mở đường cho:
- Các nhiệm vụ VLBI không gian mới sau RadioAstron, như Millimetron hoặc Event Horizon Imager;
- Sự kết hợp giữa hình ảnh trực quan và dữ liệu sóng hấp dẫn, tạo ra mô hình vũ trụ hoàn chỉnh hơn;
- Và quan trọng nhất: hiểu rõ cách mà không gian-thời gian uốn cong, co giãn và hòa nhập trong thực tế.
VIII. Lời kết – “Vũ trụ không còn im lặng”
“Lần đầu tiên, chúng ta thấy được hai hố đen quay quanh nhau, được xác định nhờ chính những tia vật chất mà chúng phóng ra.”
— Giáo sư Mauri Valtonen, Đại học Turku.
Câu nói ấy không chỉ đánh dấu một khoảnh khắc quan trọng của vật lý thiên văn, mà còn thể hiện một chân lý giản dị: vũ trụ vẫn đang nói với chúng ta, qua ánh sáng, qua sóng hấp dẫn, qua những dao động từ nơi tưởng chừng tĩnh lặng nhất.
Khi ta quan sát OJ287, ta không chỉ thấy hai hố đen, mà còn thấy sự kiên nhẫn, trí tuệ và khát vọng vươn tới giới hạn của loài người.
Và có lẽ, trong ánh sáng dao động 12 năm một lần ấy, chính là nhịp đập của tri thức – nhịp tim của cả nền khoa học hiện đại.
