Một trong những đề tài hấp dẫn nhất của vũ trụ học, thu hút sự chú ý không chỉ của những nhà vật lý chuyên nghiệp mà còn gần như bất cứ ai từng biết tới nó, là lỗ đen. Nhiều người gọi chúng là những con quái vật ham ăn và đáng sợ nhất trong vũ trụ.
Nhiều người cho rằng lỗ đen là những cánh cổng nối với những thế giới khác, nơi bạn có thể đi xuyên qua không gian và thời gian. Có giả thuyết thậm chí cho rằng chính vũ trụ mà chúng ta đang sống cũng là một lỗ đen khổng lồ.
Mặc dù vẫn còn nhiều bí ẩn bao quanh, trên thực tế thì ngày nay cũng đã có không ít điều mà các nhà khoa học có thể cho chúng ta biết về các lỗ đen.
Lỗ đen là gì?
Năm 1915, nhà vật lý Albert Einstein (1879-1955) đề xuất ra thuyết tương đối rộng, trong đó mô tả hấp dẫn không phải một lực mà là hiệu ứng biến dạng của không-thời gian. Khi một vật có khối lượng, nó làm biến dạng không-thời gian giống như khi bạn đặt một quả tạ sắt lên tấm đệm mềm của mình khiến nó trũng xuống.
Thông qua việc giải phương trình trường của thuyết tương đối rộng Einstein, vài tháng sau đó nhà vật lý người Đức Karl Schwarzschild (1873-1916) đã đưa ra dự đoán về một loại vật thể sẽ bị sụp đổ bởi khối lượng của chính nó, uốn cong không-thời gian xung quanh tới mức vô hạn khiến không một thứ gì đi vào đó có thể đi ra được, kể cả ánh sáng.
Vùng không-thời gian có độ cong vô hạn mà Schwarzschild dự đoán sau này được các nhà khoa học gọi là "lỗ đen" - ám chỉ rằng nó hoàn toàn tối đen, không có bất cứ ánh sáng nào có thể đi ra hay phản xạ từ nó.
Lỗ đen khối lượng sao
Đây là loại lỗ đen phổ biến nhất trong vũ trụ ngày nay. Chúng là 'xác chết' còn lại của các sao có khối lượng lớn.
Mọi ngôi sao trong vũ trụ - trong đó có Mặt Trời của chúng ta - đều phát sáng nhờ năng lượng giải phóng ra từ phản ứng nhiệt hạch (kết hợp hạt nhân hydro để cuối cùng tạo thành heli) ở lõi của chúng.
Cũng chính phản ứng này ngăn cản sự co lại của các ngôi sao bởi lực hấp dẫn của bản thân chúng. Khi một ngôi sao cạn kiệt hydro ở lõi, năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch không còn đủ để ngăn sự co lại. Ở những sao như Mặt Trời, lõi sao co lại do hấp dẫn trong khi vỏ ngoài phồng lên do vẫn nhận được năng lượng của phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở các lớp gần bề mặt. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn sao khổng lồ đỏ.
Sau hàng triệu năm, lớp vỏ khổng lồ này vỡ ra và lõi trong còn lại là một vật thể đã nguội đi rất nhiều và dừng co lại được gọi là sao lùn trắng.
Với những sao lớn hơn Mặt Trời nhiều lần, quá trình kết thúc phức tạp hơn. Khác với các sao như Mặt Trời, những sao nặng có lực nén vào tâm lớn hơn rất nhiều nên phản ứng nhiệt hạch diễn ra rất nhanh, khiến chúng cạn kiệt hydro khi mới sống được vài chục hoặc vài trăm triệu năm, thay vì hàng tỷ năm như Mặt Trời.
Cũng vì lực hướng tâm quá lớn, khi không còn năng lượng để chống lại hấp dẫn, ngôi sao co lại rất nhanh gây ra quá trình nhiệt hạch đột ngột của các nguyên tố nặng hơn (heli, carbon, ni-tơ oxy và cao hơn nữa) cùng một số tương tác khác, gây ra một vụ nổ lớn được gọi là supernova (thường dịch là siêu tân tinh).
Vụ nổ này phá vỡ hoàn toàn các lớp ngoài của ngôi sao. Trong khi đó, lõi trong vẫn tiếp tục co lại chứ không dừng lại để thành sao lùn trắng như ở các sao nhẹ.
Năm 1930, một nhà khoa học trẻ người Ấn Độ là Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995) tính ra được rằng nếu như một lõi sao như vậy đạt khối lượng tối thiểu là 1,4 lần khối lượng Mặt Trời sẽ tiếp tục co lại tới khi sụp đổ. Giới hạn này được gọi là giới hạn Chandrasekhar.
Các lõi sao có khối lượng đạt giới hạn Chandrasekhar sau khi lớp vỏ đã bị phá vỡ trong vụ nổ supernova sẽ tiếp tục co tới mức các electron bị nén vào proton để tạo thành neutron. Toàn bộ lõi sao chỉ có toàn neutron khiến nó có khối lượng riêng cực lớn và quay rất nhanh, được gọi là sao neutron.
Hình ảnh lỗ đen được vẽ trên máy tính.
Một số lõi sao nặng không tiếp tục biến đổi thêm khi đã trở thành sao neutron. Tuy nhiên, những lõi sao lớn hơn nữa (tương ứng với sao ban đầu lớn hơn) vẫn tiếp tục co lại và gây ra sự sụp đổ vật chất hoàn toàn.
Cụ thể, nếu lõi sao đạt giới hạn Tolman-Oppenheimer-Volkoff, tương đương với khối lượng khoảng 2 tới 3 lần hoàn toàn (chưa được tính toán hoàn toàn chính xác) thì toàn bộ nó bị nén tới mức trở thành một điểm có mật độ lớn vô hạn. Điểm này được gọi là một kỳ dị. Nó uốn cong không-thời gian xung quanh tới độ cong vô hạn.
Biên giới của vùng không-thời gian này được gọi là chân trời sự kiện. Bất cứ thứ gì, kể cả ánh sáng, đều không thể đi ra khỏi lỗ đen một khi đã đi qua chân trời sự kiện.
Những lỗ đen ra đời vào cuối đời các sao nặng như vậy được gọi là lỗ đen khối lượng sao.
Lỗ đen siêu nặng
Một loại lỗ đen khác cũng khá phổ biến và thu hút được sự chú ý của đông đảo các nhà vũ trụ học là lỗ đen siêu nặng. Những lỗ đen này có khối lượng từ hàng trăm nghìn cho tới hàng tỷ lần khối lượng của Mặt Trời.
Chúng được cho là có mặt ở trung tâm của hầu hết các thiên hà trong vũ trụ. Ở trung tâm của thiên hà Milky Way nơi có chứa Trái Đất và Hệ Mặt Trời cũng có một lỗ đen như vậy, lỗ đen này có tên là Sagittarius A* (viết tắt là Sgr A*) và có khối lượng khoảng 4 triệu lần Mặt Trời.
Khác với lỗ đen thông thường tạo thành từ cái chết của các sao nặng và có khối lượng tương đương các sao (thường gọi là lỗ đen khối lượng sao), lỗ đen siêu nặng được cho là có khối lượng lớn nhờ bồi tụ khí ở trung tâm thiên hà và hợp nhất nhiều lỗ đen. Mặc dù vậy, chính xác thì việc lỗ đen siêu nặng lớn lên ra sao hiện nay chưa được làm rõ.
Có hai kịch bản chính được tính đến để giải thích cho sự tạo thành loại thiên thể này: Kịch bản thứ nhất cho rằng các lỗ đen siêu nặng lớn lên từ lỗ đen ban đầu là lỗ đen có khối lượng khoảng vài chục tới 100 lần khối lượng Mặt Trời, sinh ra do sự sụp đổ hấp dẫn của các sao nặng và sau đó lớn lên nhờ sáp nhập với các lỗ đen khác và hút khí từ các sao lân cận.
Tuy nhiên kịch bản này đòi hỏi lỗ đen phải lớn lên với tốc độ khác thường, do đó kịch bản thứ hai có nhiều khả năng chính xác hơn.
Theo kịch bản thứ hai, các lỗ đen siêu nặng không lớn lên nhanh khác thường mà bản thân chúng có khối lượng khởi điểm lớn (ít nhất 100.000 lần khối lượng Mặt Trời) do chúng không sinh ra từ sụp đổ vật chất cuối đời của sao mà sinh ra trực tiếp từ sụp đổ của các đám mây khí lớn.
Hình ảnh lỗ đen siêu nặng ở thiên hà M87 được công bố tháng 4 năm 2019.
Tháng 4 năm 2019, các nhà khoa học làm việc ở dự án Kính thiên văn Chân trời sự kiện (EHT) đã công bố bức ảnh đầu tiên về lỗ đen. Nó là hình ảnh được chụp trực tiếp khu vực ngay phía ngoài của chân trời sự kiện, nơi có rất nhiều khí đang được bồi tụ vào lỗ đen và phát ra ánh sáng.
Đối tượng được chụp là lỗ đen siêu nặng ở trung tâm thiên hà M87 nằm cách chúng ta hơn 50 triệu năm ánh sáng.
Một câu hỏi đáng lưu tâm mà bạn có thể đặt ra là: Liệu lỗ đen có thực sự tồn tại hay chỉ nằm trên những giấy tờ và lý thuyết của các nhà khoa học? Câu trả lời chung là: Không có bất cứ nghiên cứu nào từng có cho phép chúng ta nhìn thấy lỗ đen, và trong tương lai nhiều năm tới cũng thế, vì đơn giản là tự lỗ đen không phát ra bất cứ bức xạ nào.
Tác giả bài viết, ông Đặng Vũ Tuấn Sơn - Chủ tịch Hội Thiên văn học trẻ Việt Nam. (Ảnh: Nhân vật cung cấp)
Kể cả quan sát của EHT được nêu phía trên cũng chỉ là ảnh chụp phía ngoài của chân trời sự kiện. Bên cạnh đó, không có lỗ đen nào đủ gần chúng ta để có thể gửi các tàu thăm dò tới, và quan trọng hơn nữa là nếu một tàu thăm dò đi vào sát chân trời sự kiện của lỗ đen để kiểm chứng thì nó cũng đồng thời mất khả năng gửi thông tin về cho chúng ta.
Thế nhưng, giống như khi nhìn qua cửa sổ và thấy những tán cây rung lên và bụi thì cùng bay theo một hướng thì bạn biết chắc rằng trời đang có gió, lỗ đen cũng được các nhà khoa học xác định bằng những hiệu ứng tương tự.
Đó là sự bồi tụ vật chất từ một ngôi sao đồng hành hoặc từ không gian bao quanh, sự nhiễu loạn bất thường trong chuyển động của một ngôi sao giống như nó có một đồng hành vô hình, hoặc sóng hấp dẫn phát ra khớp với dự đoán về sự sáp nhập của hai lỗ đen.
Những hiệu ứng đó không thể tới từ bất cứ dạng thiên thể nào khác trong vũ trụ. Điều đó có nghĩa là nguồn gốc của những hiệu ứng đó phải là một thứ gì đó có đúng những tính chất như những gì mà các nhà khoa học dự đoán về lỗ đen.
Một hình ảnh mô phỏng trên máy tính về việc khí từ một sao đồng hành (bên trái) bồi tụ vào thành một đĩa bao quanh lỗ đen. Mặc dù lỗ đen không phải ra ánh sáng nhưng chuyển động bất thường của sao đồng hành và bức xạ phát ra từ đĩa bồi tụ có thể được phát hiện.
1. Lỗ đen có lực hút vô hạn
Đây là một hiểu nhầm thông dụng. Không có bất cứ vật thể nào có hấp dẫn vô hạn, và lỗ đen cũng không ngoại lệ. Lực hấp dẫn giữa hai vật thể bật kỳ tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của chúng - như định luật hấp dẫn của Newton đã mô tả.
Mọi thứ đã đi qua chân trời sự kiện thì không thể đi ra, không có nghĩa là lực hút của lỗ đen là vô hạn.
2. Lỗ đen sẽ phá hủy Trái Đất vào một ngày nào đó
Việc đó là không thể xảy ra, vì lỗ đen gần Trái Đất nhất đã được xác định nằm cách chúng ta khoảng 3.000 năm ánh sáng, và nó không hề tiến về phía Trái Đất.
Bản thân Mặt Trời sẽ dừng hoạt động và phồng to thành sao khổng lồ đỏ trong khoảng 5 tỷ năm nữa và trong giai đoạn đó, nó sẽ phồng to tới mức nghiền nát Trái Đất.
Đó mới là cách mà hành tinh của chúng ta sẽ bị phá hủy. Nhưng tất nhiên, đó là một tương lai vô cùng xa.
3. Ánh sáng có khối lượng?
Hạt truyền ánh sáng - photon - không có khối lượng, vậy tại sao nó lại bị hút vào lỗ đen?
Trên thực tế, lỗ đen không "hút" ánh sáng, nó bẻ cong không gian xung quanh khiến đường đi của các tia sáng bị uốn cong.
Điều này đã được chứng minh từ năm 1919 khi Arthur Eddington quan sát sự lệch của các tia sáng đi qua gần Mặt Trời khi có nhật thực, được coi là phép chứng minh thành công đầu tiên cho thuyết tương đối rộng của Einstein.
Tóm lại, việc ánh sáng bị bẻ cong đường đi không hề nói lên rằng hạt photon có khối lượng.
4. Đi vào lỗ đen có thể giúp bạn du hành thời gian
Rất tiếc, những gì bạn có thể đã xem trong phim Interstellar hoặc một số bộ phim tương tự chỉ là tưởng tượng và phóng đại của người viết kịch bản.
Lực hấp dẫn khi tới gần chân trời sự kiện của lỗ đen mạnh tới mức nó sẽ kéo dài và xé rách bạn như kéo đứt một sợi bún. Ngoài ra, cũng không có bất cứ lý thuyết nào cho biết lỗ đen có thể nối với những chiều không gian khác như trong các tác phẩm viễn tưởng.
Tiểu kết
Cho tới nay, lỗ đen vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất và thu hút nhất trong vũ trụ học.
Trong khi nó gợi ra nhiều sự hiếu kỳ và những tưởng tượng cho công chúng yêu khoa học, thì đồng thời nó cũng không ngừng cuốn hút các nhà khoa học, bởi việc hiểu được chi tiết hơn về quá trình phát triển của nó cũng như những tác động mà nó có thể gây ra cho môi trường xung quanh sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về chính cấu trúc cũng như quá khứ và tương lai của vũ trụ.