Tuy nhiên, lực hấp dẫn của Trái Đất chưa là gì khi so với các thiên thể khác ngoài vũ trụ sở hữu lực hấp dẫn khổng lồ, trong đó, vị trí số một phải kể đến các lỗ đen, tiếp theo là các sao neutron.
Tuy nhiên, điều gì trong vũ trụ đã góp phần tạo nên những "người khổng lồ" về trọng lực, những thiên thể có lực hấp dẫn lớn đến mức, trong trường hợp của lỗ đen , ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi nó? Trên thực tế, điểm khởi đầu của những thiên thể như vậy lại khá khiêm tốn. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về chúng trong bài viết dưới đây.
Điểm khởi đầu khiêm tốn
Tất cả mọi ngôi sao đều khởi đầu từ một đám mây khí. Vâng, bạn không nghe nhầm đâu, chính là một đám mây khí! Đám mây khí này chủ yếu chứa đầy khí hidro, và thường được gọi là tinh vân.
Qua thời gian, đám mây khí này phát triển và hình thành các dạng túi khí, gia tăng về mật độ, cho đến khi đạt đủ khối lượng và sự ổn định nhất định. Đến một thời điểm nào đó, khi đám mây khí này đạt đủ độ ổn định và phát triển trường hấp dẫn đủ mạnh, sẽ hình thành giai đoạn đầu tiên của một ngôi sao, gọi là phôi sao (protostar).
Từ thời điểm này, trường hấp dẫn của ngôi sao sẽ chỉ tăng chứ không có giảm, bởi phôi sao sẽ tiếp tục hút phần khí còn lại từ đám mây ban đầu, làm tăng thêm khối lượng của ngôi sao và tiếp thu nạp thêm lượng hidro cần thiết từ môi trường xung quanh. Khí hidro là nhiên liệu chính giúp ngôi sao có thể phát sáng rực rỡ, nhờ vào quá trình tổng hợp hạt nhân diễn ra bên trong nó.
Tuy nhiên, trong quá trình phản ứng tổng hợp hạt nhân, các nguyên tử hidro liên tục va vào nhau ở lõi của phôi sao.
Quá trình va chạm này tiếp diễn liên tục và dẫn tới hai hiện tượng rất dễ quan sát. Đầu tiên là phản ứng tổng hợp hạt nhân không chỉ đòi hỏi phải có sự va chạm liên tục giữa các nguyên tử hidro với nhau, mà còn của cả các nguyên tố hoá học bậc cao khác.
Cụ thể, khi hai nguyên tử hidro hợp nhất với nhau, chúng tạo thành nguyên tử khí heli, sau đó các nguyên tử heli tiếp tục hợp nhất, qua nhiều nguyên tố trung gian khác cho tới khi sản sinh ra được nguyên tố sắt. Hiện tượng thứ hai xảy ra là, khi các nguyên tố nặng hidro bị nung chảy, sẽ khiến cho khối lượng của ngôi sao tiếp tục tăng lên.
Quá trình tổng hợp chỉ có thể xảy ra khi lõi của ngôi sao chứa một lượng hidro nhất định. Một khi khí hidro bên trong lõi sao cạn kiệt, phần lõi ấy sẽ trở nên không ổn định vì không thể tiếp tục phản ứng nhiệt hạch đối với các nguyên tố nặng hơn, chẳng hạn như sắt. Tính chất bất ổn định của phần lõi sẽ dẫn đến sự kết thúc vòng đời của một ngôi sao.
Tuy nhiên, ngôi sao sẽ chết theo một cách ngoạn mục, và rồi trở lại "lợi hại hơn xưa", giống như con phượng hoàng lửa sinh ra từ đống tro tàn.
Sao neutron
Sự hình thành sao neutron xảy ra khi một lõi sao khổng lồ sụp đổ, chính thức đánh dấu cái chết của nó. Vụ nổ ở cuối vòng đời ngôi sao này cực kỳ dữ dội và tạo ra một lượng năng lượng lớn phi thường, được gọi là vụ nổ siêu tân tinh. Sao neutron là những vật thể sao có kích thước tương đương với một thành phố, nhưng có khối lượng lớn gấp 1,4 lần khối lượng Mặt Trời của chúng ta.
Nói cách khác, những ngôi sao này có kích thước nhỏ là bởi vật chất tồn tại bên trong chúng với mật độ cực lớn. Lấy ví dụ, một thìa cà phê sao neutron có thể có khối lượng lên đến hàng tỷ tấn.
So sánh kích thước của sao neutron với thành phố Vancouver, Canada.
Sao neutron ra đời sau khi một ngôi sao khổng lồ đỏ sụp đổ. Khối lượng của một ngôi sao khổng lồ đỏ tối thiểu phải lớn gấp 20 lần khối lượng Mặt trời của chúng ta. Khi một ngôi sao nặng hơn Mặt trời của chúng ta phát nổ, các lớp bên ngoài của nó phát nổ tạo thành một vụ nổ siêu tân tinh.
Phần bên trong của ngôi sao đó - một lõi nhỏ chứa đầy vật chất ở mật độ dày đặc - sau đó cũng sẽ tiếp tục sụp đổ. Trên thực tế, lực hấp dẫn được tạo ra ở giai đoạn này mạnh đến mức nó làm cho các proton và electron trên bề mặt của lõi sao tan chảy thành các neutron! Đây là lý do vì sao những ngôi sao loại này được đặt tên là sao neutron.
Sức mạnh của một vụ nổ siêu tân tinh sản sinh ra sao neutron lớn đến mức nó có thể khiến mặt trời quay nhanh với tốc độ nhiều vòng một giây! Những ngôi sao neutron có thể quay với tốc độ lên tới 43.000 vòng mỗi phút.
Có một trường hợp khác là nếu một ngôi sao neutron không tồn tại đơn lẻ, mà là một trong hai ngôi sao thuộc hệ sao nhị phân. Hệ sao nhị phân là một hệ thống trong đó có hai ngôi sao xoay quanh một tâm khối chung. Nếu ngôi sao thứ hai có khối lượng nhỏ hơn Mặt Trời của chúng ta, nó sẽ kéo khối lượng từ người bạn đồng hành của nó vào một thực thể được gọi là Roche Lobe.
Bản chất của Roche Lobe là một đám mây vật chất giống như quả bóng bay quay quanh một ngôi sao neutron. Điều này khiến cho vật chất của ngôi sao còn lại trong hệ bị chuyển sang sao neutron và cuối cùng, ngôi sao thứ hai đó sẽ sụp đổ.
Lỗ đen
Nói một cách văn vẻ, sự hình thành của lỗ đen cũng giống như câu chuyện về một con phượng hoàng vươn lên từ đống tro tàn khác, bởi lỗ đen cũng xuất hiện sau sự sụp đổ của một ngôi sao.
Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, để lỗ đen được hình thành sau khi có một ngôi sao sụp đổ, ngôi sao đóphải có kích thước ít nhất gấp ba lần Mặt trời của chúng ta. Ngôi sao phải có khối lượng đủ lớn để lực hấp dẫn tại thời điểm nó sụp đổ có thể tạo ra một lực áp đảo tất cả các yếu tố khác.
Vật chất trong lõi của ngôi sao phải được nén chặt trong một điểm kích thước siêu nhỏ và có mật độ vô hạn. Tuy nhiên, điều thú vị là vật lý học không thể giải thích kĩ hơn về chi tiết này, bởi lẽ trong toán học, "vô hạn" là một khái niệm vẫn còn gây nhiều tranh cãi và chưa được nghiên cứu thấu đáo.
Nếu lỗ đen tồn tại trong một không gian tương đối trống và có ít vật chất ở xung quanh, thì nó sẽ chẳng có việc gì để làm và gần như ở trạng thái không hoạt động.
Tuy nhiên, nếu xung quanh lỗ đen có các hạt khí và bụi, chúng sẽ bị hút vào lỗ đen, tạo ra ánh sáng rực rỡ (do bụi và khí bị đốt nóng) và chuyển động xoáy xung quanh miệng lỗ đen giống như nước chảy xuống lỗ cống. Lỗ đen sẽ "thu nạp" những vật chất này vào khối lượng của nó và gia tăng kích thước.
Khi nói đến lỗ đen, một trong những hiện tượng hấp dẫn nhất xảy ra là khi có hai lỗ đen gặp nhau. Lực hấp dẫn cực mạnh của mỗi lỗ đen sẽ hút chiếc lỗ còn lại, khiến hai lỗ đen tiến gần nhau hơn. Khi hai lỗ đen tiếp xúc, chúng có thể sẽ làm rung chuyển chính kết cấu không-thời gian (khu vực xung quanh và gần lỗ đen), và phát ra sóng hấp dẫn.
Nói tóm lại, chúng ta có thể kết luận rằng trong hầu hết các trường hợp khi một ngôi sao sụp đổ, nó sẽ trở thành một sao neutron hoặc một dạng thiên thể có khối lượng và trọng lực khổng lồ như lỗ đen!