Đến gần hố đen, bầu trời và hình ảnh của bạn biến dạng thế nào?

Trong một mô phỏng khoa học, bản đồ Trái Đất phủ trên bề mặt một ngôi sao siêu đặc không còn hiện ra như một quả cầu quen thuộc. Người quan sát có thể thấy nhiều hình ảnh của toàn bộ bề mặt, trong khi bầu trời đêm phía trên cũng lặp lại thành nhiều phiên bản. Nếu nhìn dọc theo một hướng đặc biệt, người đó thậm chí có thể thấy phía sau đầu mình. Đây là kết quả tính toán theo thuyết tương đối rộng, không phải thủ pháp điện ảnh. [1]

Câu trả lời ngắn gọn là trọng lực cực mạnh làm thay đổi đường truyền của ánh sáng trước khi ánh sáng tới mắt. Vì mắt chỉ nhận biết hướng mà tia sáng đi vào, nó sẽ đặt nguồn sáng ở một vị trí biểu kiến khác với vị trí thông thường. Khi nhiều đường ánh sáng từ cùng một vật cùng tới được người quan sát, vật ấy có thể xuất hiện nhiều lần, bị kéo méo hoặc bao quanh vật thể siêu đặc. [1]

Vì sao ánh sáng không còn đi theo đường quen thuộc?

Trong cách hình dung đời thường, ta thường coi ánh sáng truyền theo đường thẳng. Gần một vật thể có trường hấp dẫn rất mạnh, mô tả ấy không còn đủ. Theo thuyết tương đối rộng mà mô phỏng của Robert Nemiroff tuân theo, ánh sáng đi qua vùng không-thời gian bị uốn cong. Người quan sát vẫn thấy tia sáng đi vào mắt từ một hướng cụ thể, nhưng nếu suy ngược hướng ấy theo trực giác thông thường, họ sẽ xác định sai nơi phát ra ánh sáng. [1]

Có thể hình dung bằng một ví dụ: một chữ viết nhìn qua chiếc cốc thủy tinh cong dường như lệch khỏi vị trí thật vì đường sáng đổi hướng. Trường hấp dẫn không hoạt động như thủy tinh, nhưng phép so sánh giúp làm rõ vấn đề thị giác: mắt không trực tiếp biết toàn bộ hành trình của tia sáng. Nó chỉ ghi nhận ánh sáng ở chặng cuối, vì vậy một đường truyền bị bẻ cong sẽ tạo ra vị trí biểu kiến khác.

Tại sao cùng một vật có thể xuất hiện nhiều lần?

Ánh sáng từ một điểm không nhất thiết chỉ có một lộ trình tới người quan sát. Một số tia có thể vòng qua vật thể siêu đặc theo những phía khác nhau rồi cùng đi vào mắt. Mỗi nhóm tia mang theo hình ảnh của cùng một nguồn nhưng đến từ một hướng biểu kiến riêng. Kết quả là một ngôi sao, một vùng trên bề mặt hoặc một phần bầu trời có thể xuất hiện thành nhiều ảnh thay vì chỉ một ảnh duy nhất. [1]

Trong các chuyến đi ảo, chòm Orion được dùng như một mốc dễ nhận ra giữa bầu trời biến dạng. Việc thấy hai hay nhiều Orion không có nghĩa chòm sao đã nhân đôi. Đó là nhiều đường ánh sáng của cùng một chòm sao. Tương tự, bản đồ Trái Đất được phủ lên sao neutron và ngôi sao siêu đặc giả định chỉ nhằm giúp người xem theo dõi những phần bề mặt đang bị kéo lệch hoặc lặp lại trong trường nhìn. [1]

Photon sphere đặc biệt ở điểm nào?

Photon sphere, có thể hiểu là vùng cầu quang tử, là nơi mô phỏng đặt người quan sát khi ánh sáng có thể chuyển động trên quỹ đạo tròn quanh vật thể. Tên gọi này mô tả tập hợp vị trí quanh thiên thể, không phải một lớp vỏ vật chất phát sáng. Ở đó, những tia sáng đi vòng quanh có thể đưa hình ảnh từ các hướng vốn nằm sau lưng trở lại mắt người quan sát. [1]

Chi tiết nhìn thấy phía sau đầu mình xuất phát từ hình học ấy. Ánh sáng rời phần sau đầu có thể đi vòng quanh vật thể siêu đặc rồi quay tới mắt từ phía trước. Người quan sát không thật sự quay lại và cũng không có một tấm gương phía trước; trường nhìn chỉ chứa tia sáng đã hoàn thành một hành trình khác thường. Hình ảnh bản thân vì thế có thể chen vào bầu trời dưới dạng méo và lặp, tùy hướng nhìn. [1]

Sao neutron, sao siêu đặc và hố đen cho trải nghiệm khác nhau ra sao?

Ba hành trình mô phỏng không nên được xem là ba tên gọi cho cùng một vật thể. Chuyến tới sao neutron có các chặng tiếp cận, đáp xuống bề mặt và quan sát khi chuyển động ngay phía trên bề mặt. Điều đó cho phép người xem theo dõi một bề mặt hữu hình bị trường hấp dẫn làm biến dạng trong mắt. Bản đồ Trái Đất trên sao neutron đóng vai trò như các vạch nhận dạng, giúp phân biệt sự thay đổi hình dạng với chuyển động của chính người quan sát. [1]

Ngôi sao siêu đặc trong hình minh họa còn cô đặc hơn mọi ngôi sao đã biết, ngoại trừ hố đen, nên được xác định rõ là vật thể giả định. Mô phỏng cho phép người xem đi xuống photon sphere rồi tiếp tục tới bề mặt của nó. Hành trình hố đen lại tập trung vào việc tiếp cận và chuyển động quanh vật thể. Sự khác biệt trong các lộ trình rất quan trọng: không thể lấy cảnh đáp xuống một ngôi sao có bề mặt để mô tả việc đáp xuống hố đen. [1]

Các chuỗi về ngôi sao siêu đặc cũng thể hiện sự thay đổi màu do dịch chuyển đỏ và dịch chuyển xanh. Vì vậy, biến dạng không chỉ liên quan đến vị trí hay số lượng ảnh. Màu quan sát được cũng có thể thay đổi trong mô phỏng khi ánh sáng và người quan sát ở những trạng thái chuyển động, hấp dẫn khác nhau. Tuy nhiên, màu sắc ấy phải được hiểu trong đúng từng cảnh tính toán, không phải một lớp màu cố định luôn phủ lên mọi hố đen. [1]

Người quan sát thực sự sẽ thấy một bức tranh như thế nào?

Bức tranh tổng thể không đơn giản là một vòng xoáy tối giữa bầu trời. Một phần trường nhìn có thể chứa bề mặt bị phóng đại hoặc uốn cong; phần khác chứa nhiều ảnh của các ngôi sao nền. Những ảnh lặp có thể nằm ở các hướng bất ngờ vì ánh sáng đã vòng qua vật thể trước khi đến mắt. Càng tiến vào vùng mà đường ánh sáng bị bẻ cong mạnh, trực giác về trước, sau và vị trí của nguồn sáng càng kém đáng tin cậy. [1]

Dù vậy, các đoạn phim này vẫn là chuyến đi ảo được dựng bằng tính toán. Chúng tuân theo thuyết tương đối rộng và được thiết kế để biểu diễn các hiệu ứng nhìn thấy, nhưng không phải phim do một du khách quay cạnh hố đen. Bản đồ Trái Đất, bản đồ bầu trời và Orion là những dấu mốc trực quan được chọn để người xem nhận ra ánh sáng đã biến đổi đường đi như thế nào. [1]

Điều đáng nhớ nhất không phải là hố đen làm mọi thứ méo đi một cách tùy ý. Mỗi ảnh lặp và mỗi vùng bị kéo cong đều tương ứng với một con đường mà ánh sáng có thể đi tới người quan sát trong mô hình. Khi trọng lực đủ mạnh, nhìn thẳng về phía trước có thể đồng thời là nhìn thấy ánh sáng đến từ bên cạnh, phía sau hoặc đã vòng quanh thiên thể. Chính đường đi của ánh sáng khiến bầu trời quen thuộc trở nên xa lạ. [1]