TS Sara Issaoun trong một bài trình bày về nghiên cứu hố đen năm 2019. Ảnh: tài khoản Toniher/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Một mạng kính thiên văn có kích thước hiệu dụng gần bằng Trái Đất vẫn gặp một trở ngại rất gần: chính bầu khí quyển của Trái Đất. Với Event Horizon Telescope (EHT), hơi nước và những biến động trong tầng đối lưu làm pha của tín hiệu vô tuyến ở bước sóng ngắn bị xáo trộn, khiến thời gian tích hợp dữ liệu bị giới hạn và những nguồn yếu trở nên khó quan sát. Một thử nghiệm do nhóm của TS Sara Issaoun tham gia dẫn dắt đang tìm cách dùng tín hiệu ở bước sóng dài hơn để sửa phần dữ liệu bị khí quyển làm nhiễu ở bước sóng ngắn.

TS Sara Issaoun có bằng tiến sĩ Vật lý thiên văn tại Radboud University năm 2021, sau bằng thạc sĩ Vật lý và Thiên văn học tại cùng trường năm 2017 và cử nhân Vật lý tại McGill University năm 2015. Hiện bà là Submillimeter Array Fellow tại Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, thành viên EHT và phụ trách Science Operations của dự án Black Hole Explorer (BHEX). Lĩnh vực bà theo đuổi tập trung vào thu nhận, hiệu chỉnh và dựng ảnh từ các quan sát vô tuyến milimet về hố đen siêu nặng.

EHT từng tạo ra hình ảnh đầu tiên của hố đen M87* năm 2019 và đến năm 2022 công bố Sagittarius A*, hố đen siêu nặng ở trung tâm Dải Ngân Hà. Hình ảnh Sagittarius A công bố năm 2022* cũng từng xuất hiện trong tổng hợp ảnh vũ trụ của Phụ nữ Mới. Công trình mới của nhóm Issaoun không tạo thêm một ảnh hố đen mới; nó xử lý một lớp kỹ thuật nằm phía trước công đoạn dựng ảnh: làm sao giữ tín hiệu đủ ổn định để quan sát được lâu hơn và nhạy hơn.

TS Sara Issaoun trong một bài trình bày về quan sát hố đen. Ảnh: tài khoản Toniher/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Lấy dữ liệu 3 mm để sửa tín hiệu ở 1 mm

Nghiên cứu công bố năm 2025 trên The Astronomical Journal thử nghiệm kỹ thuật Frequency Phase Transfer, viết tắt FPT. Thay vì chỉ quan sát ở một tần số, nhóm thu dữ liệu đồng thời ở 86 GHz và 215 GHz, tương ứng xấp xỉ bước sóng 3 mm và 1 mm, trên một đường cơ sở liên lục địa giữa kính IRAM 30 m tại Tây Ban Nha với James Clerk Maxwell Telescope và Submillimeter Array ở Hawaii. Đây là lần đầu nhóm chứng minh FPT khả thi cho VLBI ở vùng bước sóng khoảng 1 mm trên một đường cơ sở cỡ Trái Đất.

Nguyên lý có thể hiểu bằng cách coi tín hiệu 3 mm như một “tham chiếu” về những gì khí quyển đang gây ra tại thời điểm quan sát. Vì nhiễu do tầng đối lưu có quan hệ giữa hai tần số, lời giải pha từ dữ liệu tần số thấp được chuyển sang hiệu chỉnh dữ liệu tần số cao. Trong thí nghiệm, pha giao thoa ở hai dải thể hiện tương quan mạnh phù hợp với biến động khí quyển; sau khi áp dụng FPT, độ kết hợp của tín hiệu 215 GHz tăng một cách có hệ thống trên mọi thang thời gian lấy trung bình mà nhóm khảo sát.

Độ kết hợp cao hơn có ý nghĩa vì các kính có thể tích lũy tín hiệu lâu hơn trước khi nhiễu khí quyển làm mất thông tin pha. Thời gian tích hợp dài hơn giúp tăng độ nhạy, từ đó tạo khả năng hướng tới những nguồn vô tuyến yếu hơn. Đây là cải thiện về khả năng thu và hiệu chỉnh tín hiệu; không nên chuyển thành tuyên bố rằng kỹ thuật FPT tự nó làm tăng kích thước vật lý của kính hay trực tiếp tạo ra ảnh hố đen có độ phân giải cao hơn.

Thiên văn học hiện đại ngày càng phụ thuộc vào việc ghép những tín hiệu yếu thu ở nhiều nơi hoặc nhiều vùng phổ. Cách tiếp cận này có điểm gặp với những quan sát mà một vật thể bí ẩn được phát hiện đồng thời ở sóng vô tuyến và tia X, dù hai công trình nghiên cứu các đối tượng và bài toán hoàn toàn khác nhau. Giá trị của việc có nhiều kênh quan sát nằm ở chỗ mỗi kênh mang một phần thông tin mà một phép đo đơn lẻ không thể cung cấp.

Chưa phải một lần quan sát hố đen mờ mới

Điểm dễ bị đẩy quá xa nằm ngay ở cụm “quan sát hố đen mờ”. Thí nghiệm FPT của nhóm không trực tiếp tạo ảnh một hố đen mới. Các phép thử đồng thời ở 86 GHz và 215 GHz được tiến hành trên hai nguồn vô tuyến sáng J0958+6533 và OJ287, nơi nhóm đạt tín hiệu mạnh ở cả hai tần số rồi dùng dữ liệu đó để kiểm tra mức tương quan pha và hiệu quả của phép chuyển pha.

Vì vậy, kết luận chắc nhất hiện nay là phương pháp đã chứng minh được khả năng cải thiện độ kết hợp của dữ liệu 215 GHz trên đường cơ sở cỡ Trái Đất. Khả năng dùng nó để mở rộng EHT tới những mục tiêu mờ hơn là hệ quả kỹ thuật mà nhóm đang hướng tới, chứ chưa phải bằng chứng rằng hàng loạt hố đen mờ đã được quan sát thành công bằng phương pháp này. Center for Astrophysics cũng mô tả nghiên cứu là một thử nghiệm kỹ thuật mở đường cho thế hệ quan sát hố đen tiếp theo.

Kỹ thuật còn một rào cản thực tế: FPT yêu cầu kính thiên văn quan sát ít nhất hai bước sóng đồng thời. Khả năng này hiện chưa phổ biến trong mạng EHT, nơi nhiều trạm chỉ vận hành một dải bước sóng tại một thời điểm. Vì vậy, kết quả năm 2025 vừa chứng minh nguyên lý, vừa đặt ra yêu cầu nâng cấp thiết bị nếu muốn áp dụng phương pháp trên quy mô rộng hơn.

Những câu hỏi quanh hố đen thường được kể bằng các cực trị về nhiệt độ, khối lượng hay lực hấp dẫn. Bài đâu là nơi nóng nhất trong vũ trụ của Phụ nữ Mới từng đề cập chuẩn tinh 3C273 và vùng vật chất phát sáng quanh một hố đen siêu nặng. Nghiên cứu của Issaoun đi vào một câu hỏi ít trực quan hơn nhưng quyết định chất lượng dữ liệu: trước khi giải thích vật lý quanh hố đen, nhà thiên văn phải chắc rằng tín hiệu thu được không bị khí quyển làm biến dạng quá mức.

Từ tín hiệu nhiễu đến từ trường quanh Sagittarius A*

Công việc của Issaoun không bắt đầu ở thử nghiệm FPT. Bà là thành viên EHT và năm 2024 giữ vai trò đồng dẫn dắt một dự án tạo ảnh phân cực đầu tiên của Sagittarius A*. Kết quả cho thấy cấu trúc từ trường mạnh, xoắn và có tổ chức gần hố đen ở trung tâm Dải Ngân Hà, đồng thời cho thấy cấu trúc phân cực có nét tương đồng với hố đen M87*.

Việc tạo ảnh phân cực Sagittarius A* khó hơn một ảnh tĩnh thông thường vì nguồn này biến đổi nhanh. Nhóm phải xử lý đồng thời chuyển động của vật chất và đặc tính phân cực liên quan đến từ trường. Trong bức ảnh công bố năm 2024, các đường phủ trên vùng sáng biểu thị hướng phân cực, qua đó cung cấp thông tin về cấu trúc từ trường gần bóng hố đen.

Sagittarius A*, hố đen siêu nặng ở trung tâm Dải Ngân Hà, trong ánh sáng phân cực. Các đường trên ảnh biểu thị hướng phân cực liên quan đến cấu trúc từ trường. Ảnh: EHT Collaboration, phát hành qua ESO.

Nếu đặt hai công trình cạnh nhau, có thể thấy một đặc điểm khá rõ trong hướng nghiên cứu của nữ tiến sĩ trẻ. Năm 2024, bà cùng tập thể dùng dữ liệu EHT để rút ra thông tin vật lý về từ trường quanh Sagittarius A*; đến công trình FPT, trọng tâm lùi về khâu nền tảng hơn là làm tín hiệu ổn định và nhạy hơn trước khi dựng ảnh. Đó là chuỗi công việc từ chất lượng dữ liệu tới diễn giải vật lý, thay vì một thành tích đơn lẻ được tách khỏi hệ thống quan sát.

Mắt xích cho một kính thiên văn vượt khỏi kích thước Trái Đất

Issaoun hiện còn đảm nhiệm vai trò Science Operations Lead của Black Hole Explorer. BHEX được phát triển như một ý tưởng đưa một thành phần của giao thoa kế vô tuyến vào không gian và kết hợp nó với các kính mặt đất, qua đó tạo đường cơ sở dài hơn đường kính Trái Đất. Trang dự án BHEX hiện cho biết nhóm đang phát triển concept để đề xuất theo chương trình NASA Small Explorer trong năm 2026; vì vậy chưa có cơ sở để gọi BHEX là một sứ mệnh đã được NASA phê duyệt hay đang vận hành.

Mục tiêu dài hạn của BHEX là tiến tới quan sát cấu trúc “photon ring” quanh hố đen với độ phân giải rất cao. Nhưng một đường cơ sở dài hơn cũng làm các yêu cầu về đồng bộ tín hiệu, hiệu chỉnh và vận hành phức tạp hơn. Chính vì vậy, kết quả FPT không đứng biệt lập: Center for Astrophysics xem khả năng quan sát đồng thời nhiều bước sóng là một phần của lộ trình nâng cấp EHT thế hệ tiếp theo và BHEX.

Ở giai đoạn sự nghiệp chưa lâu sau khi hoàn thành tiến sĩ, Sara Issaoun đã tham gia một hệ hợp tác khoa học nơi thành quả không thuộc về một cá nhân. Bài FPT có tổng cộng 36 tác giả; thông cáo của Center for Astrophysics xác định kết quả do Issaoun và một cộng sự cùng dẫn dắt. Vì thế, đóng góp đáng nói ở đây không phải câu chuyện “một nữ tiến sĩ tạo ra cách nhìn hố đen”, mà là vai trò của bà trong việc giải một nút kỹ thuật cụ thể của mạng kính thiên văn toàn cầu.

Một gương mặt trí thức trẻ có thể được nhận diện bằng giải thưởng hay tốc độ thăng tiến. Với Sara Issaoun, lát cắt đáng quan tâm hơn nằm ở phương pháp làm khoa học: tìm cách giữ lại tín hiệu vốn rất dễ bị khí quyển phá hỏng, kiểm chứng phương pháp trên thiết bị thật và chỉ mở rộng kết luận đến mức dữ liệu cho phép. Nếu FPT được triển khai rộng hơn trên EHT và các hệ kế tiếp, phần việc tưởng như chỉ là “sửa nhiễu” có thể trở thành một trong những điều kiện để những hố đen hiện còn quá mờ bước vào phạm vi quan sát.