Lỗ đen - Sự kết thúc của không gian và thời gian

Các sao lùn trắng có thể chịu đựng được sức nặng tác động lên các electron, tương tự với các sao neutron khi các hạt neutron có thể chống đỡ được khối lượng quá nặng của chúng. Tuy nhiên, khi lực hấp dẫn giành chiến thắng trong một sao neutron, Tạo hóa sẽ không còn "chiêu trò" gì để chống đỡ nữa. Tất cả vật chất bị hút vào một điểm duy nhất. Với tất cả khối lượng riêng, không gian và thời gian uốn cong một cách nghiêm trọng đến nỗi cấu trúc không thời gian bị vỡ nát. Lực hấp dẫn quá mạnh đến nỗi thậm chí ánh sáng cũng không thể thoát ra được, và bản thân thời gian tự nó kết thúc. Khi đó, một lỗ đen được hình thành.

Chúng ta gọi một lỗ đen là một "ngôi sao", mặc dù rằng nó hoàn toàn không giống với những gì chúng ta thường nghĩ về một ngôi sao. Để xem tại sao lại như vậy, hãy lấy một cái đĩa đặt xuyên qua giữa ngôi sao này, như chúng ta đã làm trước đó. Đặc trưng "ngọn đồi" mà chúng ta thấy ở sao neutron đã trở thành một thứ gì đó khủng khiếp hơn nhiều ở đây. Chúng ta không thể hiển thị hết ngọn đồi này trong bức ảnh; nó sẽ không vừa khớp vào không gian và thời gian của chúng ta. Nếu chúng ta cố gắng vẽ một đường tròn xung quanh quả đồi này, chúng ta thấy rằng không có sợi dây nào từ bên ngoài có khả năng chạm xuống tâm của nó mà không bị đứt gãy. Điều kinh khủng ở đây là, tỷ lệ tương đối của dòng chảy thời gian chậm lại đến con số không ở rìa.

Cái lỗ ở giữa của ngọn đồi này có một cái tên. Nó đại diện cho một khối cầu trong không gian 3 chiều được gọi là chân trời sự kiện. Bề mặt đặc biệt này là nơi mọi thứ bên trong bị cắt khỏi phần còn lại của vũ trụ. Các nhà khoa học nói rằng mọi thứ đi vào bên trong khối cầu này sẽ không thể quay trở lại được nữa. Ngay cả ánh sáng, di chuyển với tốc độ nhanh nhất mà không thứ gì có thể nhanh hơn được, cũng không thể thoát khỏi lỗ đen. Đó là lý do vì sao "ngôi sao" này được gọi là một "lỗ đen".

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 1: Một phần của hình học xung quanh một lỗ đen. Tỷ lệ tương đối của dòng chảy thời gian xung quanh lỗ đen được hiển thị bởi thang màu. Thời gian dường như chậm lại đáng kể và thậm chí là dừng lại ở rìa của cái lỗ. Điều này có nghĩa là gì?

Kích thước của bề mặt này tăng lên theo khối lượng của lỗ đen. Nếu Mặt Trời của chúng ta trở thành một lỗ đen, chân trời sự kiện có thể bao quanh bởi một đường tròn chỉ 9 km. (Mặt Trời như hiện nay có kích thước khoảng 4 triệu km). Một lỗ đen có khối lượng gấp đôi thì kích thước đó sẽ tăng gấp đôi.

Bây giờ, người anh em song sinh của bạn có thể cảm nhận được thời gian gần chân trời sự kiện không chỉ là chậm như rùa bò, mà dường như là dừng hẳn lại! Nếu người anh em sinh đôi đó rời khỏi bạn và tiến đến quá gần chân trời sự kiện, người anh em đó sẽ ngừng lão hóa hoàn toàn, từ góc nhìn của bạn. Cuộc đời của người anh em song sinh đó sẽ đơn giản là tạm dừng mãi mãi.

Thật không may, số phận này không phải điều mà người anh em sinh đôi của bạn sẽ được trải nghiệm. Người anh em đó sẽ thực sự đi qua chân trời sự kiện, và tìm thấy thời gian và không gian ở phía bên kia. Nhưng thời gian và không gian này khá đặc biệt. Người anh em sinh đôi đó không thể tránh việc đâm vào điểm ở giữa chứa tất cả vật chất của ngôi sao, trong một khoảng thời gian rất ngắn. Đây là một ví dụ về những người quan sát khác nhau nhận các lớp không-thời gian khác nhau, và nhìn thấy những điều rất khác nhau: Bạn thấy người anh em sinh đôi kia chậm lại và dừng hẳn ở chân trời sự kiện; trong khi người anh em đó lại nhìn thấy chân trời sự kiện đến và đi qua.

Điểm ở trung tâm sẽ sớm giữ di hài của người anh em sinh đôi xấu số đó được gọi là một điểm kỳ dị. Tất cả khối lượng của lỗ đen bị nghiền nát vào trong một khu vực cực nhỏ. Trạng thái cong của không-thời gian một cách nghiêm trọng đến nỗi độ cong thực sự là vô hạn. Bạn có thể nói rằng cấu trúc không-thời gian đã bị rách toạc, và một điểm nhỏ đã gây ra điều đó. Vật lý học gần các điểm kỳ dị vẫn là một bí ẩn. Tuy vậy, chúng ta gần như chắc chắn chúng tồn tại, và được phát hiện ẩn giấu tại tâm của các lỗ đen.

Chúng ta cũng có thể tự hỏi có hay không các lỗ đen có thể có những chỗ nổi lên, như những ngôi sao neutron chúng ta thấy trước đó. Điều này có thể tồn tại. Chân trời sự kiện sẽ thay đổi hình dạng bất cứ khi nào có thứ gì đó rơi vào, để lại cho nó một chút gập ghềnh. Tuy nhiên, những vết nổi này sẽ tỏa ra và gợn xung quanh chân trời sự kiện, tương tự như một viên đá rơi xuống một mặt hồ tĩnh lặng sẽ khuấy động mặt nước trong chốc lát. Khi vết nổi này gợn ra xung quanh, chúng sẽ khiến tất cả không-thời gian xung quanh chúng cũng gợn lên như vậy. Lỗ đen sẽ phát ra sóng hấp dẫn. Những con sóng này sẽ mang theo năng lượng, và khiến chân trời sự kiện ngừng gợn sóng. Một lỗ đen không quay sẽ co lại thành một khối cầu hoàn hảo. Một lỗ đen quay sẽ co lại thành một khối cầu hơi dẹt.

Trong thực tế, với một lỗ đen tĩnh lặng - sau khi các gợn sóng dừng lại - có ba thứ hoàn toàn xác định cách mà lực hấp dẫn của lỗ đen có thể được nhìn thấy từ bất cứ ai ở bên ngoài: khối lượng của lỗ đen, lượng điện tích mà lỗ đen này đang chứa, và độ quay nhanh của lỗ đen. Bất kỳ một lỗ đen tĩnh lặng nào với cùng khối lượng, điện tích, và tốc độ quay đều trông giống hệt nhau về mọi phương diện. Một lỗ đen đơn lẻ sẽ không kỳ vọng có nhiều điện tích, do đó các nhà vật lý thiên văn thường nhắc đến khối lượng và tốc độ quay của một lỗ đen.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 2: Hai cụm sao cầu quan sát bởi Kính viễn vọng Không gian Hubble. Bằng cách nghiên cứu chuyển động của các ngôi sao trong những bức ảnh này, các nhà thiên văn học đã kết luận rằng có thứ gì đó rất nặng, nhưng rất nhỏ, nằm ở tâm của mỗi cụm. Các lỗ đen là ứng viên đã biết duy nhất có thể phù hợp với những thứ rất nặng này.

Bằng chứng về sự hiện diện của các lỗ đen

Một trong các vấn đề với các lỗ đen là, về mặt tự nhiên, liệu chúng có rất khó nhìn thấy hay không?

May mắn thay, các lỗ đen gây ảnh hưởng đến những thứ xung quanh chúng thông qua lực hấp dẫn mãnh liệt và vô đối của chúng. Những thứ ở gần này thường phát ra ánh sáng, cho phép chúng ta quan sát khi lỗ đen kéo chúng quay xung quanh. Chẳng hạn, chúng ta có thể nhìn thấy một ngôi sao xuất hiện một cách bình thường trong một vùng không gian trống. Nhưng nếu ngôi sao này đang chuyển động theo một đường tròn, chúng ta có thể biết rằng có thể có một vài vật thể nặng đang bẻ cong không-thời gian gần ngôi sao. Bằng cách đo đạc vận tốc quỹ đạo của ngôi sao, các nhà thiên văn học có thể chỉ ra được khối lượng của các vật thể trung tâm. Nếu có đủ khối lượng gói gọn trong một thể tích đủ nhỏ, và không có ánh sáng phát ra, có thể có một lỗ đen đang hiện diện ở đó. Các ngôi sao có quỹ đạo như vậy quanh một vật thể tối không nhìn thấy được trên thực tế đã được phát hiện. Bằng cách quan sát các ngôi sao tương tự như trong Hình 2, các nhà thiên văn học có thể đo đạc được vận tốc quỹ đạo. Những cụm sao đặc biệt này đã được đo đạc, và được cho là đang chứa các lỗ đen.

Nơi dễ nhất mà chúng ta kỳ vọng sẽ tìm thấy một sự tập trung lớn của khối lượng là ngay giữa nơi chứa nhiều khối lượng khác - tại tâm của một thiên hà chẳng hạn. Nếu một lỗ đen đã cư ngụ ở giữa một thiên hà, nó có thể "ăn" thêm nhiều ngôi sao và lớn lên thành một lỗ đen khổng lồ. Thật vậy, các nhà thiên văn đã tìm thấy những ngôi sao ở tâm của thiên hà Dải Ngân Hà của chúng ta đang di chuyển theo quỹ đạo với tốc độ đáng kinh ngạc. Một số ngôi sao quay quanh tâm thiên hà với chu kỳ 15 năm, tại vận tốc lên đến hơn 3000 dặm mỗi giờ (gần 5000 km/h).

Điều đó có nghĩa là có thứ gì đó đang làm biến dạng không-thời gian tại tâm của Dải Ngân Hà có khối lượng gấp vài triệu lần khối lượng của Mặt Trời. Tuy nhiên, tất cả khối lượng đó được gói gọn vào trọng một vùng chỉ lớn hơn vài lần so với kích thước Mặt Trời hiện tại. Với quá nhiều khối lượng gói vào một vùng không gian nhỏ như vậy, các nhà vật lý không thể tưởng tượng ra bất cứ thứ gì khác ngoài một lỗ đen.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 3: Tâm của thiên hà Dải Ngân Hà của chúng ra, quan sát bởi Kính viễn vọng tia X Chandra (Chandra X-Ray Telescope).

Trong thực tế, có vẻ như hầu hết các thiên hà đều có một lỗ đen siêu nặng ở tâm của chúng. Một số trong các lỗ đen này hấp thụ vật chất một cách nhanh chóng đến nỗi vật chất đang rơi vào lại va chạm với vật chất khác. Tất cả va chạm này, tại vận tốc cực lớn xung quanh một lỗ đen, khiến vật chất nóng lên khủng khiếp. Tất cả nhiệt lượng đó khiến vật chất tỏa sáng, như trong bức ảnh bên dưới (Hình 4) cho thấy một thiên hà với một lỗ đen trung tâm siêu nặng ở tâm.

Đôi khi vật chất nóng này bị bắt lại trong một từ trường. Bởi vì tính chất kỳ lạ của lực từ, vật chất di chuyển nhanh như vậy có thể thực sự vòng hướng ra ngoài lỗ đen, và bị bắn ra ngoài từ tâm của thiên hà. Một lỗ đen siêu nặng ở giữa rất nhiều vật chất có thể thực sự cực kỳ sáng. Các nhà thiên văn học đã xác định được nhiều nguồn sáng mà họ gọi là các nhân thiên hà hoạt động (active galactic nuclei - AGNs), tỏa sáng hơn nhiều so với các ngôi sao trong các thiên hà xung quanh chúng. Những AGN này được tin là bị chi phối bởi các lỗ đen.

Một quasar (quasi-stellar - vật thể giống sao) là một vật thể tương tự được nhìn thấy ở rất xa trong vũ trụ. Đối với người quan sát một cách tình cờ, các quasar xuất hiện chỉ như những ngôi sao bình thường ở gần đó. Tuy nhiên, các phép đo đạc cẩn thận bởi các nhà thiên văn học cho thấy rằng chúng ở cực kỳ xa. Điều này có nghĩa là chúng cũng phải cực kỳ sáng. Trong thực tế, ánh sáng phát ra đôi khi còn sáng hơn cả hàng tá các thiên hà thông thường. Đối với thứ gì đó trở nên quá mạnh mẽ, nó phải có rất nhiều vật chất để tiêu thụ - nghĩa là, nó phải trở nên cực kỳ nặng. Mặt khác, ánh sáng đến từ một quasar thay đổi đáng kể sau mỗi vài tháng, vài ngày, hoặc vài giờ. Nếu một vật thể rất lớn thay đổi độ sáng, chúng ta sẽ kỳ vòng rằng sự thay đổi xảy ra rất chậm. Đặc biệt, các nhà khoa học tin rằng một vật thể có thể chỉ thay đổi độ sáng nhanh khi nó khiến ánh sáng di chuyển từ một phía của vật thể đến phía khác. Điều này có nghĩa là một quasar điển hình chỉ có thể được so sánh kích thước với Hệ Mặt Trời của chúng ta. Một lần nữa, tất cả vật chất đó được gói gọn vào trong mộ khu vực nhỏ có thể chỉ được giải thích bởi một lỗ đen - là giới hạn hiểu biết của chúng ta hiện nay. Tất cả những bằng chứng này vẫn chưa thực sự vững vàng. Các quan sát với sóng hấp dẫn có khả năng mang lại cho chúng ta những sự thật vững chắc hơn để minh chứng cho sự hiện diện của các lỗ đen.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 4: Thiên hà "Seyfert" Circinus (Viên Quy), quan sát bởi Kính viễn vọng Không gian Hubble, được cho là được thắp sáng bởi một lỗ đen lớn ở tâm của nó.

Âm thanh của lỗ đen

Lắng nghe âm thanh của một lỗ đen, khi phần nổi lên của nó rã xuống sau một cuộc "gặp gỡ" đầy biến động. Khi lỗ đen tạo ra các gợn sóng dưới dạng sóng hấp dẫn, âm thanh của nó tương tự như tiếng của một mặt trống căng. Lỗ đen càng nặng, mặt trống càng lớn; lỗ đen quay càng nhanh, mặt trống càng căng.

  • Lỗ đen nặng gấp 10 lần khối lượng Mặt Trời:

  • Lỗ đen nặng gấp 20 lần khối lượng Mặt Trời:

  • Lỗ đen nặng gấp 40 lần khối lượng Mặt Trời:

  • Lỗ đen quay nhanh nặng gấp 10 lần khối lượng Mặt Trời:

  • Lỗ đen quay nhanh nặng gấp 20 lần khối lượng Mặt Trời:

  • Lỗ đen quay nhanh nặng gấp 40 lần khối lượng Mặt Trời:

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 5: Nhân thiên hà hoạt động của M87 tạo ra một luồng vật chất dài đến 30 triệu tỷ dặm (1.5 kiloparsec hay 5 nghìn năm ánh sáng), quan sát bởi Kính viễn vọng Không gian Hubble.

Bức xạ Hawking

Các lỗ đen chúng ta nhìn thấy ở trên được định nghĩa là một vùng không-thời gian mà ở đó không thứ gì có thể thoát ra được. Theo thuyết tương đối tổng quát, những vùng như vậy có thể tồn tại, và trong thực tế phải là trạng thái cuối cùng của bất cứ ngôi sao nào có khối lượng lớn hơn vài lần khối lượng Mặt Trời. Thật không may, đó không phải là toàn bộ câu chuyện.

Các lý thuyết hiện nay của vật lý chỉ chính xác tương đối. Lý thuyết chuyển động và hấp dẫn cổ điển của Newton cũng vậy. Nó giải quyết rất tốt trong hầu hết mọi trường hợp, nhưng vẫn có những ngoại lệ. Lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein đã lấp đầy nhiều chỗ trống. Tuy nhiên, ông cũng không thể lấp đầy tất cả chúng.

Có một lý thuyết vật lý hiện đại khác được gọi là Cơ học lượng tử. Lý thuyết này liên quan đến những hạt rất nhỏ và năng lượng rất cao. Cơ học lượng tử rất quan trọng, chẳng hạn như việc giải thích các hạt electron chuyển động quanh một nguyên tử hay bên trong một con chip máy tính. Nỗ lực giải thích những thứ này với thuyết tương đối tổng quát sẽ dẫn đến thất bại hoàn toàn. Mặt khác, nỗ lực giải thích lực hấp dẫn bằng cơ học lượng tử cũng dẫn đến thất bại hoàn toàn. Không lý thuyết nào luôn luôn sai, và cũng không lý thuyết nào luôn luôn đúng.

Lý thuyết trường lượng tử trong không-thời gian cong là một nỗ lực để mang cơ học lượng tử vào không-thời gian cong của thuyết tương đối tổng quát. Lý thuyết này cho phép chúng ta hiểu về hành vi của các hạt tí hon như các electron và photon trong những khu vực bị uốn cong cực độ - chẳng hạn như xung quanh một lỗ đen.

Một trong nhiều dự đoán ngạc nhiên của lý thuyết trường lượng tử là chân không của không gian thực sự là một nồi súp nóng của các hạt ảo. Đây là những cặp hạt xuất hiện và biến mất rất nhanh chóng. Các hạt ảo sẽ mượn năng lượng từ không gian trống xung quanh chúng, để lại không gian đó với năng lượng âm. Thường thì không gian trống sau đó sẽ kéo các hạt ảo trở lại để bù lại năng lượng của nó. Tuy nhiên, trong một vùng có lực hấp dẫn cực lớn, các hạt có thể có đủ năng lượng hấp dẫn để trả lại năng lượng đã mượn vào không gian trống, và sống sót như những hạt thực thụ. Một hạt ảo rơi vào trong lỗ đen, trong khi hạt còn lại thoát ra ngoài. Một lỗ đen liên tục tạo ra luồng hạt này chạy thoát ra ngoài. Nó bỏ lại năng lượng và khối lượng của mình cho những hạt bốc hơi từ nó. Qua thời gian rất dài, sự rò rỉ này rút khối lượng từ lỗ đen khiến nó co lại. Nếu không có gì rơi vào để bù lại sự mất mát này, lỗ đen có thể bay hơn vào hư không.

Năm 1974, Stephen Hawking sử dụng lý thuyết trường lượng tử trong không-thời gian cong để chứng minh hiện tượng này tồn tại. Nó đã là một sự bất ngờ lớn với tất cả mọi người - đặc biệt là bởi nó dường như mâu thuẫn với sự thành công lớn trước đó của Hawking khi vận dụng lý thuyết tương đối, và chống lại trực giác của chúng ta về định nghĩa lỗ đen. Qua thời gian, ngày càng nhiều chuyên gia đồng ý với Giáo sư Hawking. Không bao giờ tránh được các tranh cãi, Hawking đã phải tiến đến hỗ trợ một ý tưởng mới khác về lỗ đen. Vị trí mới của ông có thể giải cứu thứ gì đó trong quan niệm của chúng ta về các lỗ đen như những nơi mà tất cả biến mất mãi mãi.

Chúng ta có thể tưởng tượng gửi thứ gì đó vào trong một lỗ đen, và cố gắng quan sát nếu sự bốc hơi diễn ra bị tác động bởi bất cứ thứ gì chúng ta ném vào. Niềm tin của Hawking (hiện nay) là bất kể cái gì đã đi vào trong lỗ đen sẽ hoàn toàn không ảnh hưởng gì đến thứ đi ra ngoài. Thứ gây ngạc nhiên về vị trí này là nó đi ngược với những gì Hawking đã tin trong nhiều năm. Sự đảo ngược của ông đơn giản là minh chứng của sự khó khăn mà thậm chí các chuyên gia uy tín nhất cũng phải đối mặt trong việc tìm hiểu về vận động của các lỗ đen. Vẫn còn nhiều thứ để khám phá, kiểm tra, và để hiểu về các lỗ đen, và không-thời gian nói chung, cũng như cơ học lượng tử. Làm cách nào để hai lý thuyết này - thuyết tương đối và cơ học lượng tử - khớp với nhau có lẽ là một bí ẩn lớn nhất và đầy hứa hẹn của tất cả các lĩnh vực vật lý.

Còn tiếp...

Nguồn: SXS

Mục lục

Author: Hien PHAN
Nguyên chủ nhiệm CLB Thiên văn Bách khoa - PAC (nay là CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC); Nghiên cứu sinh ngành Vật lý thiên văn tại APC Laboratory, Paris Diderot University, Cộng hòa Pháp.