4.10 Kỹ thuật bằng chứng: kiểm chứng thế nào, nhìn những “dấu vân tay” nào, và chúng tôi dự đoán gì

Trang chủ ／ Chương 4: Hố đen

Phần này chuyển hóa bức tranh “các lớp vật chất” của hố đen trong Mục 4.1–4.9 thành bằng chứng có thể thao tác. Nửa đầu đề xuất các thí nghiệm kiểm chứng; nửa sau đưa ra các dự báo có thể bác bỏ rõ ràng. Sau khi đọc, bạn sẽ biết: cần ưu tiên dải sóng nào, dùng phương pháp nào, theo dõi đại lượng nào để lần lượt xác nhận “vành tới hạn động, vùng chuyển tiếp và ba con đường thoát” — hoặc từ đó phủ nhận khung này.

I. Bản đồ kiểm chứng: ba trục chính và hai trục phụ

• Trục mặt ảnh: Ảnh giao thoa đường cơ sở siêu dài ở dải milimét và hạ milimét. Theo dõi độ ổn định hình học của vành chính, các vành phụ và các “quạt” sáng bền lâu, cùng dao động “thở” nhỏ của chúng.
• Trục phân cực: Chuỗi thời gian của độ phân cực và góc phân cực tại cùng điểm ảnh; tìm các xoắn trơn dọc theo vành và các dải đảo chiều hẹp đồng vị trí với hình học độ sáng.
• Trục thời gian: Đường cong sáng đã khử tán sắc xuyên dải để tìm “bậc thềm chung” và “bao vọng”, rồi đối chiếu xem chúng có đồng cửa sổ với mặt ảnh và phân cực hay không.
• Phụ A (phổ và động lực học): Sự thay phiên giữa thành phần cứng và mềm, độ mạnh phản xạ và hấp thụ, sự dịch ra ngoài của các nút sáng và dịch chuyển tần số vùng lõi.
• Phụ B (đa sứ giả): Tương quan không–thời với neutrino năng lượng cao và các ứng viên tia vũ trụ; tính nhất quán cân bằng năng lượng với sóng hấp dẫn do hợp nhất.

Cách ra quyết định là hợp tham số: không một trục đơn lẻ nào đủ sức. Cần ít nhất ba trục cùng thỏa mãn trong cùng cửa sổ sự kiện mới tính là qua kiểm chứng.

II. Kiểm chứng 1: Vành tới hạn động có thật hay không?

Cần quan sát gì:

• Đường kính vành gần như bất biến trong khi bề dày vành biến đổi theo phương vị.
• Họ vành phụ: Các vành thứ cấp mảnh và mờ hơn ở mặt trong của vành chính, có thể lặp lại qua nhiều đêm.
• Hiện tượng “thở”: bề rộng và độ sáng của vành biến thiên nhỏ nhưng có hệ thống và đồng bộ trong các cửa sổ sự kiện mạnh.

Vì sao có thể bác bỏ:

• Nếu vành hành xử như một đường hình học hoàn hảo qua thời gian dài, không tích lũy cấu trúc thứ cấp, cũng không có co–giãn nhẹ gắn với sự kiện, thì giả thuyết “tới hạn có bề dày và biết ‘thở’” là ảo ảnh. Ngược lại, một vành chính ổn định, các vành phụ tái hiện được và “nhịp thở” biên độ nhỏ sẽ đồng thời cung cấp bằng chứng trực tiếp rằng “lớp da” không phải bề mặt nhẵn.

Cấu hình tối thiểu:

• Giao thoa đường cơ sở rất dài (VLBI) tần số cao — ví dụ 230 và 345 gigahertz (GHz) trong cùng cửa sổ — để tạo ảnh động.
• Dùng mô hình trừ vành chính; kiểm tra xem phần dư có bộc lộ các vành phụ một cách ổn định không.
• Trước–sau sự kiện mạnh, thống kê đồng biến giữa bề dày vành và độ sáng.

III. Kiểm chứng 2: Vùng chuyển tiếp có phải là “lớp pít-tông”?

Cần quan sát gì:

• Bậc thềm chung sau sự kiện mạnh: đường cong sáng xuyên dải, đã khử tán sắc, gần như cùng lúc tăng bật.
• Bao vọng tiếp sau: các đỉnh thứ cấp yếu dần theo thời gian, khoảng cách giữa các đỉnh giãn ra.
• Biểu hiện đồng cửa sổ ở mặt ảnh và phân cực: quạt sáng tăng cường, các dải đảo chiều hoạt hóa rõ hơn.

Vì sao có thể bác bỏ:

• Nếu các bậc thềm tách nhau nghiêm ngặt theo quy luật tán sắc, hoặc biên độ và khoảng cách các vọng không tiến hóa nhất quán — đồng thời mặt ảnh/phân cực không đổi đồng cửa sổ — thì khả năng cao chỉ là môi trường xa hoặc hiệu ứng thiết bị. Bức tranh này yêu cầu ngưỡng bị “ấn xuống” đồng bộ về hình học và giải phóng theo pha kiểu pít-tông; cả hai điều kiện đều phải xuất hiện.

Cấu hình tối thiểu:

• Quang biến chu kỳ cao xuyên dải (từ vô tuyến đến tia X (X-ray)) đặt trên cùng một trục thời gian đã khử tán sắc.
• So sánh cắt cửa sổ giữa mặt ảnh và phân cực để kiểm tra bộ ba liên động: bậc thềm — quạt sáng — dải đảo chiều.

IV. Kiểm chứng 3: Ba con đường thoát và “dấu vân tay” riêng

1. Lỗ kim tức thời (rò chậm)
   • Mặt ảnh: Vành chính tăng sáng nhẹ cục bộ hoặc toàn cục; các vành mảnh ở phía trong tạm thời rõ hơn.
   • Phân cực: Tỷ phần phân cực giảm nhẹ tại vùng sáng lên; góc phân cực vẫn xoắn trơn tru.
   • Thời gian: Bậc thềm chung nhỏ kèm vọng yếu và chậm.
   • Phổ: Thành phần mềm–dày tăng; không có “đỉnh cứng”.
   • Đa sứ giả: Không trông đợi neutrino.
   • Kết luận: Bốn trục cùng cửa sổ ⇒ lỗ kim chiếm ưu thế.
2. Đục xuyên trục (tia phụt/jet)
   • Mặt ảnh: Tia phụt chuẩn trực với các nút sáng dịch ra ngoài; tia phụt ngược yếu hơn.
   • Phân cực: Phân cực cao; góc phân cực ổn định theo từng đoạn; có gradient Faraday theo bề ngang tia phụt.
   • Thời gian: Bùng phát nhanh và cứng; các bậc nhỏ truyền dọc theo tia phụt ra ngoài.
   • Phổ: Phi nhiệt kiểu lũy thừa, đuôi năng lượng cao mạnh hơn.
   • Đa sứ giả: Có thể đồng cửa sổ với neutrino.
   • Kết luận: Đa số trong năm trục cùng cửa sổ ⇒ đục xuyên chiếm ưu thế.
3. Giảm tới hạn dạng dải ở rìa (lan rộng và tái xử lý)
   • Mặt ảnh: Rìa vành sáng theo dải; có dòng thoát góc mở lớn và ánh sáng khuếch tán.
   • Phân cực: Phân cực trung bình; biến thiên theo đoạn trong dải; các dải đảo chiều kề cận.
   • Thời gian: Tăng chậm rồi giảm chậm; trễ phụ thuộc màu rất rõ.
   • Phổ: Phản xạ và hấp thụ dịch xanh mạnh hơn; phổ dày ở hồng ngoại (IR) và hạ milimét tăng.
   • Đa sứ giả: Chủ yếu bằng chứng điện từ.
   • Kết luận: Bốn trục cùng cửa sổ ⇒ dải rìa chiếm ưu thế.

V. Kiểm tra chéo theo quy mô: “nhỏ dễ bùng, lớn êm” có phổ quát không?

Cần quan sát gì:

• Nguồn nhỏ thường có biến thiên từ phút đến giờ dày đặc, dễ xuất hiện đục xuyên tia phụt.
• Nguồn lớn chủ yếu biến thiên từ ngày đến tháng, dải rìa duy trì lâu hơn.

Cách thực hiện:

• Áp dụng cùng phương pháp cho vi chuẩn tinh và hố đen siêu nặng. Nếu thang thời gian và “tỷ phần doanh thu” của các con đường dịch chuyển có hệ thống theo khối lượng/quy mô, điều đó cho thấy tham số của lớp vật chất đang chi phối.

VI. Danh mục phản chứng: chỉ cần một điều đúng là đủ để vô hiệu phần quan trọng của khung

• Qua các chiến dịch ảnh dài hạn, chất lượng cao, vành chính luôn là đường hình học hoàn hảo, không có vành phụ và không “thở”.
• Sau khử tán sắc, các bậc thềm xuyên dải không đồng cửa sổ và tách rời biến thiên mặt ảnh/phân cực.
• Trong những bùng phát tia phụt cứng, mạnh, không có hoạt động tương ứng kéo dài ở vành gần nhân hay quạt sáng, và không bao giờ xuất hiện đặc trưng phân cực theo trục.
• Sáng dải ở rìa rõ ràng nhưng không bao giờ đi kèm tăng phản xạ hoặc “dấu tay” của gió đĩa.
• Nguồn nhỏ và nguồn lớn không khác biệt có hệ thống về thang thời gian hoặc cơ cấu con đường chiếm ưu thế.

VII. Danh mục dự báo: mười hiện tượng mà một–hai thế hệ quan sát sắp tới nên thấy

• Họ vành phụ
  Ở tần số cao hơn và đường cơ sở dài hơn, sẽ phân giải được hai đến ba vành phụ ổn định, hẹp và mờ bên trong vành chính. Bậc càng cao càng hẹp và càng tối; sau sự kiện mạnh, chúng dễ được “thắp sáng” hơn.
• “Pha vân tay” của quạt sáng
  Quạt sáng bền có thiên hướng góc thống kê so với các dải đảo chiều phân cực. Sau sự kiện mạnh, độ lệch pha giữa chúng sẽ tái sắp xếp nhanh, rồi trôi về giá trị ưa thích.
• Bậc thềm “thật sự không tán sắc”
  Ngay cả sau khi khử tán sắc từ milimét qua hồng ngoại (IR) đến tia X (X-ray), các bậc vẫn gần như tăng đồng cửa sổ và đi kèm thay đổi đồng bộ ở bề rộng vành và các dải phân cực.
• Cộng hưởng “thở — bậc thềm”
  Sự nở nhẹ của bề dày vành đồng biến tuyến tính với độ cao của bậc thềm chung; sự kiện càng mạnh, tương quan càng chặt.
• Trình tự kích hoạt đục xuyên
  Chớp tia phụt cứng xảy ra trước hoặc đồng thời với tăng sáng ngắn hạn ở quạt gần nhân trên vành, sau đó là các nút sáng di chuyển ra ngoài và đo được dịch chuyển lõi (core shift).
• “Phổ ám muội” của dải rìa
  Khi dải rìa chiếm ưu thế, phổ dày ở hồng ngoại (IR) và hạ milimét tăng trước tia X (X-ray) cứng; phản xạ và hấp thụ dịch xanh tăng trong vài ngày đến vài tuần.
• Chuyển hóa “lỗ kim → đục xuyên”
  Gần trục quay, vài sự kiện lỗ kim đồng vị trí trong vài ngày đến vài tuần sẽ chuyển thành tia phụt ổn định, kèm phân cực toàn nguồn tăng.
• Quy mô quyết định thang thời gian
  Mẫu “bậc — vọng” theo phút phổ biến hơn ở vi chuẩn tinh; mẫu theo ngày–tuần trội hơn ở hố đen siêu nặng, với tốc độ tăng khoảng cách giữa các đỉnh vọng nhỏ hơn.
• Đồng cửa sổ với neutrino
  Sự kiện neutrino năng lượng trung bình dễ xảy ra hơn trong giai đoạn đục xuyên tia phụt mạnh và sẽ đồng pha với đỉnh gamma cứng.
• Đồng vị “dải đảo chiều ↔ gió đĩa”
  Khi dải đảo chiều phân cực di chuyển dọc rìa ngoài của vành, độ sâu hấp thụ gió đĩa tia X (X-ray) biến thiên đồng bộ, và sự quay của góc phân cực có quan hệ pha lặp lại được.

Mỗi dự báo đều có thể kiểm tra độc lập; chỉ cần một dự báo bị bác bỏ có hệ thống, cần quay lại tầng cơ chế để hiệu chỉnh.