Những ngày đầu tháng 4/2019 chứng kiến một sự kiện có 1-0-2 trong lịch sử khám phá vũ trụ của nhân loại: Lần đầu tiên con người chụp được bức ảnh chứng minh sự tồn tại của hố đen.
Trước khi có được bức ảnh chứng minh sự tồn tại của nó, hố đen vẫn là một trong những bí ẩn vũ trụ vĩ đại nhất trong hành trình khám phá không gian của loài người.
Được nhà vật lý lý thuyết người Đức Albert Einstein (1879-1955) nhắc đến lần đầu tiên trong Thuyết Tương đối (năm 1916), hố đen trong nghiên cứu của Einstein là một "con quái vật" đúng nghĩa, với khả năng nuốt chửng mọi loại vật chất, năng lượng, ngay cả ánh sáng cũng bị bẻ cong bởi hố đen.
Hố đen (còn gọi là lỗ đen, black hole) được mệnh danh là "quái vật vũ trụ". Đối với các nhà khoa học, hố đen là vật thể vừa bí ẩn vừa đáng sợ nhưng lại ẩn chứa khát khao thông hiểu của loài người nhất trong vũ trụ.
Để hiểu rõ về hố đen, ý nghĩa của bức ảnh đầu tiên và hành trình tương lai khám phá "quái vật vũ trụ" này, Space.com sẽ đưa chúng ta tìm hiểu ngọn ngành:
01.
Hiểu về hố đen
- Thuật ngữ "Hố đen" chưa được ra đời trong Thuyết Tương đối năm 1916 của Einstein. Giới khoa học biết đến thuật ngữ này khi nhà thiên văn học người Mỹ John Wheeler (1911-2008), một trong những cộng tác viên cuối cùng của Albert Einstein, đưa ra lần đầu tiên năm 1967.
- Giới khoa học định nghĩa hố đen (không phải là hố hoặc lỗ nào) mà là một vùng không-thời gian có trường hấp dẫn cực mạnh, đến nỗi không một vật chất, bức xạ và ánh sáng nào có thể thoát ra khỏi nó.
- Cấu tạo hố đen: Hố đen có 3 "lớp": Chân trời sự kiện bên ngoài - Chân trời sự kiện bên trong - Và vùng kỳ dị.
Minh họa đi vào chân trời lỗ đen.
+ Chân trời sự kiện bên ngoài và bên trong của hố đen là ranh giới xung quanh miệng hố đen, nơi ánh sáng mất đi khả năng thoát ra. Một khi vật chất, bức xạ... bị hút vào chân trời sự kiện thì nó không thể nào thoát ra được. Trọng lực là không đổi trong chân trời sự kiện.
+ Vùng kỳ dị là nơi chứa toàn bộ khối lượng của hố đen, do đó đây là khu vực có mật độ vật chất lớn vô hạn.
- Hố đen sinh ra từ đâu, sức mạnh hủy diệt của hố đen? Hố đen sinh ra từ cái chết của một ngôi sao. Cụ thể, khi một ngôi sao bước vào giai đoạn cuối của quá trình tiến hóa sao, nó sẽ phồng lên, mất dần khối lượng. Cuối cùng, một vụ nổ khổng lồ sẽ đánh dấu sự hủy diệt của ngôi sao này (gọi là siêu tân tinh).
Một vụ nổ khổng lồ sẽ đánh dấu sự hủy diệt của ngôi sao này (gọi là siêu tân tinh). Ảnh minh họa: EarthSky
Tuy nhiên, mọi việc chưa kế thúc. Sau vụ nổ, vật chất bị văng ra ngoài để lại lõi sao. Nếu như một ngôi sao "còn sống", phản ứng tổng hợp hạt nhân sẽ tạo ra một lực đẩy nhằm cân bằng với lực hút từ khối lượng của ngôi sao. Nhưng khi ngôi sao "chết", không còn lực nào chống lại lực hút đó nữa nên lõi sao bắt đầu sụp đổ.
Nếu lõi sao khổng lồ sụp đổ thành một điểm nhỏ vô hạn thì một hố đen sẽ được sinh ra. Vì lõi sao khổng lồ có khối lượng lớn gấp nhiều lần Mặt Trời bị nén vào một điểm nhỏ như vậy khiến cho hố đen có một trường hấp dẫn khổng lồ. Di chuyển đến đâu, nó cũng có thể nuốt chửng vật chất trên đường đi, khiến nó ngày càng lớn và có sức hủy diệt mạnh mẽ.
Di chuyển đến đâu, nó cũng có thể nuốt chửng vật chất trên đường đi, khiến nó ngày càng lớn và có sức hủy diệt mạnh mẽ. Ảnh: Internet
Bạn hãy tưởng tượng, khi một lõi sao dày đặc, có khối lượng gấp nhiều lần Mặt Trời bị nén vào một phạm vi có kích thước chỉ bằng một thành phố thì tất yếu sinh ra một lực hấp dẫn "điên cuồng", cuốn theo các vật chất, năng lượng gần nó. Từ bụi, khí, năng lượng, bức xạ... hố đen cứ thế lớn dần thành "quái vật" thực sự.
- Hố đen lớn thế nào? Trong Thuyết Tương đối của Einstein, vì liên tục nuốt vật chất trong vũ trụ nên một siêu hố đen có thể có khối lượng của hàng tỷ Mặt Trời.
- Hố đen có tồn tại trong Dải Ngân Hà không? Câu trả lời là Có! Tính cho đến nay, các nhà thiên văn học xác định rằng trong trung tâm Ngân Hà của chúng ta có một siêu hố đen khổng lồ có tên là Sagittarius A.
Trong vũ trụ, sự kiện một ngôi sao "chết đi" luôn xảy ra, dó đó, hố đen đều có cơ hội hình thành từ sự kiện này. Đó là lý do, các nhà thiên văn cho rằng, hố đen có mặt ở khắp mọi thiên hà, ẩn nấp rất nhiều trong vũ trụ bao la.
- Có ba loại hố đen: Hố đen sao, Hố đen siêu lớn và Hố đen trung bình:
+ Hố đen sao
Đây là hố đen được sinh ra từ một ngôi sao chết (siêu tân tinh). Đối với một ngôi sao nhỏ (gấp khoảng 3 lần khối lượng Mặt Trời), lõi mới sẽ tạo ra sao neutron hoặc sao lùn trắng. Còn đối với một ngôi sao khổng lồ khi "chết đi", lõi sao sẽ tiếp tục nén rồi tạo ra một hố đen, hay hố đen sao.
Theo Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian: Dải Ngân Hà chứa vài trăm triệu hố đen sao.
Hình minh họa của một hố đen mới ra đời. Nguồn: NASA/JPL-C
+ Hố đen siêu lớn (Siêu hố đen)
Siêu hố đen có khối lượng lớn gấp hàng triệu lần thậm chí hàng tỷ lần so với Mặt Trời, nhưng lại có bán kính bằng ngôi sao gần Trái Đất nhất - Alpha Centauri (cách Trái Đất 4,3 năm ánh sáng).
Điều đáng nói là, các siêu hố đen như vậy được cho là nằm ở trung tâm của nhiều thiên hà, trong đó có thiên hà của chúng ta (Dải Ngân Hà).
Cho đến nay, giới khoa học vẫn chưa chắc chắn về sự hình thành của siêu hố đen. Rất có thể chúng là kết quả của hàng trăm hoặc hàng nghìn hố đen nhỏ kết hợp với nhau. Hoặc cũng có thể, chúng sinh ra từ sự "chết đi" của một cụm sao cùng nhau.
+ Hố đen trung bình
Trước đây, giới khoa học nghĩ rằng hố đen chỉ có kích thước nhỏ và lớn, nhưng nghiên cứu gần đây đã tiết lộ khả năng tồn tại của hố đen cỡ trung bình.
Những hố đen như vậy có thể được hình thành khi các cụm ngôi sao nhỏ cùng "chết". Năm 2014, các nhà thiên văn đã nhìn thấy vật thể giống lỗ đen trung bình tại một thiên hà xoắn ốc.
Hiện tại, các nhà khoa học quốc tế vẫn đang nỗ lực tìm kiếm và nghiên cứu hố đen cỡ trung bình này.
02.
Ý nghĩa của bức ảnh chụp hố đen
đầu tiên
Sinh ra từ "cái chết" của một ngôi sao, có khối lượng lớn gấp nhiều lần Mặt Trời, nên hố đen sở hữu lực hút khủng khiếp. Đây cũng chính là "bài toán khó" cho các nhà thiên văn học khi quan sát hố đen.
Bởi họ không thể "nhìn" chúng theo cách chúng ta nhìn thấy ngôi sao và các vật thể khác trong không gian. Vậy "bài toán khó" này giải quyết thế nào?
Để chụp được ảnh hố đen, vốn không thể chụp được bằng các phương pháp thông thường, hơn 200 nhà khoa học quốc tế trong hơn 10 năm đã phải dày công nghiên cứu, cuối cùng họ tìm ra cách phải dựa vào bức xạ phát ra khi bụi và khí được hút vào "quái vật vũ trụ" này để hố đen "hiện nguyên hình".
Kết quả: Nhân loại đã có bằng chứng về sự tồn tại của hố đen.
Hình ảnh hố đen do kính EHT chụp được, được các nhà khoa học cung cấp hôm 10/4/2019. Nguồn: EHT collaboration
Bức ảnh chụp hố đen công bố ngày 10/4/2019 thuộc về hố đen nằm trong thiên hà khổng lồ Messier 87, cách chúng ta 53 triệu năm ánh sáng, nằm gần cụm thiên hà Xử Nữ.
Siêu lỗ đen này có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần khối lượng Mặt Trời, có kích cỡ gần bằng dải Ngân Hà của chúng ta, rộng 38 tỷ km (tương đương 1,5 ngày ánh sáng).
Đây là "cực phẩm" có được từ sự kết hợp của 8 kính thiên văn thuộc dự án Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (Event Horizon Telescope) đặt tại Chile, Hawaii, Arizona, Mexico, Tây Ban Nha và cực Nam của Trái Đất. Bằng cách sử dụng kỹ thuật giao thoa với đường cơ sở rất dài, để tạo thành một mạng lưới kính thiên văn khổng lồ có đường kính tương đương đường kính Trái Đất.
03.
Hành trình tiếp theo là gì?
Hình ảnh một thiên hà xoắn ốc.
Sau hơn 100 năm, các nhà khoa học mới có trong tay bằng chứng chứng minh sự tồn tại của hố đen - vật thể vũ trụ bí ẩn, khổng lồ mà Einstein từng nhắc đến trong Thuyết Tương đối.
Tất nhiên, hành trình khám phá hố đen chưa thể dừng lại!
Sheperd Doeleman, Giám đốc dự án Kính thiên văn Chân trời Sự kiện cho biết: Bức ảnh mới công bố mặc dù là một bước tiến vĩ đại nhưng vẫn có thể được hoàn thiện thêm để trở nên sắc nét hơn nữa.
Ngoài ra, tham vọng của các nhà khoa học là có được hình ảnh rõ nét của siêu hố đen nằm ngay trung tâm Dải Ngân Hà của chúng ta - Sagittarius A.
Bên cạnh việc cải tiến và nâng cấp hệ thống kính thiên văn, các nhà khoa học cũng đang tập trung vào một hướng nghiên cứu khác là quan sát và tìm hiểu những luồng hạt bức xạ có năng lượng cực lớn và vận tốc cực cao gần bằng vận tốc ánh sáng được phát ra từ rìa hố đen.
Trong hành trình khám phá vũ trụ, hố đen, người ngoài hành tinh, các Siêu Trái Đất... vẫn là những vùng đất chưa được nhân loại khai hoang.
Nhờ tiến bộ khoa học cùng những bộ óc của các nhà khoa học quốc tế đồng lòng, hành trình ấy cho đến nay đã được tiếp thêm nhiều động lực.
Hy vọng về những cư dân liên hành tinh của người Trái Đất liệu có thành hiện thực? Chúng ta hãy cùng chờ đợi!
Bài viết sử dụng các nguồn: Space, National Geographic, Scitechdaily