Katie Bouman - người phụ nữ đứng sau 'kỳ tích' chụp ảnh hố đen - Ảnh: Twitter

Đây là dự án với sự đóng góp của hơn 200 nhà nghiên cứu trên khắp thế giới.

Đam mê từ thời học sinh

Theo Đài CNN ngày 10-4, Bouman lớn lên tại West Lafayette, Indiana, Mỹ và tốt nghiệp Trường trung học West Lafayette năm 2007. Có cha là giáo sư tại ĐH Purdue nên từ khi học cấp III, cô Bouman cùng các giáo sư ở Trường Purdue đã nghiên cứu các phương pháp máy tính để chụp ảnh. Năm 2007 cũng là lần đầu tiên Bouman học về kính viễn vọng Event Horizon (EHT).

Tốt nghiệp ĐH Michigan với tấm bằng kỹ sư điện, cô gái trẻ tiếp tục hoàn thành chương trình thạc sĩ kỹ sư điện tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Bouman cũng là thành viên của Đài quan sát Haystack MIT. Sau đó cô kỹ sư điện tiếp tục làm nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ trong nhóm Chụp ảnh EHT tại ĐH Harvard.

Năm 2016, Bouman xuất hiện trong một buổi trò chuyện của TED - một tổ chức chuyên đăng tải những phần nói chuyện với khẩu hiệu "những ý tưởng đáng lan truyền". Buổi nói chuyện của Bouman, khi ấy mới 26 tuổi, có tựa đề "Làm cách nào để chụp ảnh một lỗ đen". Nhà khoa học trẻ tuổi đã giải thích về thuật toán dùng để thực hiện dự án này.

Katie Bouman chia sẻ khoảnh khắc vui sướng khi thấy hình ảnh hố đen vũ trụ trên trang Facebook cá nhân - Ảnh: sopitas

"Một hố đen rất, rất, rất xa và nhỏ" - Bouman từng nói trong buổi nói chuyện của TED năm 2016. Để dễ hình dung, cô ví von việc chụp ảnh hố đen cũng giống như việc chúng ta muốn chụp ảnh quả bưởi trên Mặt trăng bằng một chiếc điện thoại thông minh.

Bouman bắt đầu phát triển một thuật toán gọi là Tái tạo hình ảnh độ phân giải cao liên tục bằng cách sử dụng chắp vá dữ liệu (CHIRP) vào năm 2016 khi cô chỉ là một sinh viên tốt nghiệp tại MIT. Bouman lấy bằng tiến sĩ kỹ sư điện và khoa học máy tính tại MIT năm 2017.

Ảnh hố đen từ thuật toán CHIRP

Trong buổi nói chuyện năm 2016, theo Journal&Courier, thuật toán giúp chụp lại hình ảnh của hố đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà có tên là Messier 87 (M87) từ các dữ liệu hình ảnh của EHT.

EHT là một hệ kính có kích cỡ của một hành tinh gồm 8 kính viễn vọng vô tuyến trên mặt đất kếp hợp với nhau nên có độ nhạy và phân giải không gian vô cùng lớn. EHT sử dụng kỹ thuật gọi là giao thoa kế, kết hợp các tín hiệu từ các cặp kính thiên văn và sử dụng sự giao thoa tín hiệu để làm khớp các dữ liệu.

Katie Bouman lấy bằng tiến sĩ kỹ sư điện và khoa học máy tính tại MIT năm 2017- Ảnh: Twitter

Tuy nhiên, dù có một hệ kính viễn vọng vô tuyến khổng lồ thì vẫn có những khoảng trống dữ liệu không thể bù đắp. Thông thường một tín hiệu vô tuyến truyền đến một hoặc nhiều kính viễn vọng sẽ không cùng thời điểm.

Ngoài ra khí quyển Trái đất làm chậm sóng vô tuyến khiến sự chênh lệch về thời gian này trở nên lớn hơn và làm lệch các tính toán về việc tạo ra hình ảnh dựa vào giao thoa vô tuyến.

Thuật toán CHIRP giúp khắc phục vấn đề này. Bằng cách nhân lên các phép đo từ 3 kính viễn vọng, độ trễ gây ra bởi khí quyển sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Như vậy thuật toán của Bouman yêu cầu phải có số liệu từ 3 kính viễn vọng chứ không phải từ 2 kính viễn vọng nhưng sẽ giúp tăng độ chính xác của dữ liệu lên nhiều hơn để bù đắp cho sự thiếu thông tin.

Sau đó thuật toán CHIRP sẽ dựng lại và tinh chỉnh những hình ảnh gốc để tạo ra hình ảnh liền mạch và rõ ràng về lỗ đen. CHIRP cũng có thể được sử dụng cho bất kỳ hệ thống hình ảnh nào sử dụng giao thoa kế vô tuyến.

Thuật toán truyền thống để hiểu dữ liệu giao thoa thiên văn trên được xây dựng với giả định rằng một hình ảnh sẽ được tạo ra từ một tập hợp các điểm ánh sáng riêng lẻ và thuật toán cố gắng tìm những điểm có độ sáng và vị trí phù hợp nhất với dữ liệu. Sau đó thuật toán làm mờ các điểm sáng gần nhau để tạo ra một hình ảnh liền mạch.

Thuật toán CHIRP tạo ra một mô hình phức tạp hơn, khi đưa tất cả các điểm sáng được xem là một mặt phẳng của các mức độ biến động ánh sáng được tạo thành từ các hình nón cách đều nhau với độ cao khác nhau nhưng chân đế có cùng đường kính.

Sau đó, có thể nói nôm na là thuật toán sẽ phủ một lớp nhựa lên mô hình để tạo tính liên tục tự nhiên cho hình ảnh. Kết hợp cùng nhiều thuật toán khác, kết quả là chúng ta có bức ảnh đầu tiên về lỗ đen.

Bouman sẽ bắt đầu công việc trợ lý giáo sư ngành khoa học máy tính tại Viện Công nghệ California vào mùa thu này.

Người kín tiếng

Katie Bouman - Ảnh: Twitter

Bouman là một người khá kín tiếng ngoài đời lẫn trên mạng xã hội. Journal&Courier dẫn lời cha cô, ông Charles Bouman, cho biết con gái ông chỉ thông báo với gia đình rằng sẽ có một tuyên bố chấn động vào ngày 10-4 nhưng không nói cụ thể là về vấn đề gì. Tuy nhiên Bouman đã đăng tải bức ảnh ghi lại phản ứng của chính mình khi lần đầu nhìn hình ảnh lỗ đen trên trang Facebook cá nhân để bày tỏ sự vui mừng.

Bức ảnh hố đen vũ trụ đầu tiên được chụp như thế nào?

TTO - Mạng lưới 8 kính viễn vọng vô tuyến đặt khắp toàn cầu đã ghi lại hình ảnh đầu tiên của hố đen ở trung tâm thiên hà Messier 87. Đó là khởi đầu để nhân loại giải đáp những bí ẩn của hố đen vũ trụ và để kiểm chứng những giả thuyết trước đây.