Lỗ đen là một trong số những đối tượng hấp dẫn và lạ lùng nhất được phát hiện trong không gian ngoài kia. Chúng là những vật thể vô cùng đặc, với lực hấp dẫn mạnh đến nỗi ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi chúng nếu đến đủ gần.

Albert Einstein là người đầu tiên tiênđoán về các lỗ đen năm 1916 với thuyết tương đối tổng quát. Thuật ngữ "lỗ đen" được đặt ra năm 1967 bởi nhà thiên văn học người Mỹ John Wheeler, và lỗ đen đầu tiên được phát hiện năm 1971.

Có ba loại lỗ đen: lỗ đen sao, lỗ đen siêu nặng (siêu khổng lồ), và lỗ đen trung bình.

Lỗ đen sao - những vật thể nhỏ nhưng mang sức mạnh chết chóc

Khi một ngôi sao đốt cháy hết nhiên liệu, nó có thể bắt đầu quá trình suy sụp. Đối với những ngôi sao nhỏ, có khối lượng bé hơn 3 lần khối lượng Mặt Trời, lõi mới sinh ra sẽ là một sao neutron hoặc một sao lùn trắng. Nhưng khi một ngôi sao lớn hơn suy sụp, nó sẽ co lại để tiến đến tạo thành một lỗ đen sao.

Các lỗ đen sinh ra bởi sự suy sụp của các ngôi sao đơn lẻ sẽ tương đối nhỏ, nhưng lại vô cùng đậm đặc. Mỗi một vật thể như vậy sẽ đóng gói hơn 3 lần khối lượng Mặt Trời vào một kích thước chỉ tương đương một thành phố. Những lỗ đen này hút bụi và khí từ các khu vực xung quanh chúng và tăng dần kích thước.

Theo Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian, "Dải Ngân Hà chứa một vài trăm triệu" lỗ đen sao như vậy.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!Hình vẽ mô tả một lỗ đen trẻ trong vũ trụ. Credit: NASA/JPL-Caltech.

Lỗ đen siêu khổng lồ - Con quái vật khổng lồ trong vũ trụ

Các lỗ đen nhỏ phổ biến trong vũ trụ, nhưng người anh em họ của chúng, các lỗ đen siêu khổng lồ, lại chiếm ưu thế. Các lỗ đen siêu khổng lồ lớn gấp hàng triệu, thậm chí là hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời, nhưng chỉ có kích thước tương đương với Mặt Trời mà thôi. Mỗi lỗ đen như vậy được cho là nằm ở khu vực trung tâm của hầu hết các thiên hà, bao gồm cả Dải Ngân Hà của chúng ta.

Các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn việc làm thế nào những lỗ đen to lớn như vậy được sinh ra. Một khi chúng đã hình thành, chúng có thể dễ dàng thu thập khối lượng từ bụi và khí xung quanh chúng, lượng vật chất dồi dào ở tâm các thiên hà cho phép chúng phát triển đến kích thước khổng lồ.

Các lỗ đen siêu khổng lồ có thể là kết quả của hàng trăm hay hàng ngàn các lỗ đen nhỏ kết hợp lại với nhau. Các đám mây khí lớn có thể cũng là nguồn gốc hình thành lỗ đen siêu khổng lồ khi suy sụp lại và nhanh chóng tăng khối lượng. Khả năng thứ ba là sự suy sụp của một cụm sao, là một nhóm các ngôi sao bị ràng buộc bởi hấp dẫn với nhau.

Lỗ đen kích thước trung bình - bị mắc kẹt ở giữa

Một lỗ đen khối lượng trung bình (intermediate-mass black hole - IMBH) là một lớp giả thuyết của lỗ đen có khối lượng trong khoảng từ 100 đến 1 triệu khối lượng Mặt Trời: lớn hơn đáng kể so với các lỗ đen sao nhưng nhỏ hơn lỗ đen siêu khổng lồ.

Các nhà khoa học từng nghĩ rằng các lỗ đen chỉ xuất hiện với kích thước nhỏ hoặc lớn, nhưng các nghiên cứu gần đây đã tiết lộ khả năng tồn tại của lỗ đen kích thước trung bình. Mỗi lỗ đen như vậy có thể sinh ra khi các ngôi sao trong một cụm sao va chạm trong một phản ứng dây chuyền. Một số lỗ đen loại này hình thành trong cùng khu vực có thể cuối cùng rơi vào nhau ở tâm thiên hà để tạo thành một lỗ đen siêu khổng lồ.

Năm 2014, các nhà thiên văn học phát hiện thứ dường như là một lỗ đen khối lượng trung bình trong cánh tay của một thiên hà xoắn ốc.

"Các nhà thiên văn học đã từng tìm kiếm rất vất vả những lỗ đen kích thước trung bình," Tim Roberts (Đại học Durham, Vương quốc Anh) phát biểu.

"Đã có gợi ý rằng chúng tồi tại, nhưng các lỗ đen trung bình đã hoạt động như là một người thân mất tích từ lâu và chẳng được quan tâm tìm kiếm."

Lý thuyết lỗ đen

Các lỗ đen có khối lượng vô cùng lớn, nhưng chỉ chiếm một khu vực rất nhỏ. Bởi vì mối liên hệ giữa khối lượng và hấp dẫn, nên chúng có lực hấp dẫn vô cùng mạnh mẽ. Hầu như không có gì có thể thoát khỏi chúng - theo vật lý cổ điển, thậm chí ánh sáng cũng bị giữ lại bởi một lỗ đen.

Mỗi một lực kéo mạnh đều tạo nên một vấn đề liên quan đến quan sát khi nó đến với các lỗ đen - các nhà khoa học không thể "nhìn thấy" chúng theo cách mà họ nhìn thấy các ngôi sao và các vật thể khác trong vũ trụ. Trong thực tế, các nhà khoa học phải dựa vào các bức xạ phát ra khi bụi và khí bị hút vào các cấu trúc đặc. Các lỗ đen siêu khổng lồ, nằm ở tâm của thiên hà, có thể bị bao phủ bởi lớp bụi và khí dày đặc xung quanh, là thứ có thể chặn các bức xạ phát ra.

Đôi khi vật chất bị hút vào một lỗ đen, nó bị bắt khỏi chân trời sự kiện và bị ném ra ngoài, chứ không phải là bị nuốt vào bên trong. Những luồng vật chất sáng di chuyển ở tốc độ gần tương đối tính được hình thành. Mặc dù lỗ đen bản thân nó là không thể nhìn thấy, thì nhưng luồng sáng mạnh này lại có thể quan sát được từ khoảng cách rất xa.

Các lỗ đen có ba "lớp" - bên ngoài, bên trong chân trời sự kiện và điểm kỳ dị.

Chân trời sự kiện của một lỗ đen là ranh giới xung quanh miệng của lỗ đen, là nơi mà ánh sáng bị mất khả năng thoát khỏi lỗ đen. Khi một hạt đã đi qua chân trời sự kiện, nó không thể thoát ra được. Hấp dẫn là không đổi trên chân trời sự kiện.

Khu vực bên trong của một lỗ đen, nơi chứa khối lượng của nó, được gọi là điểm kỳ dị, một điểm duy nhất trong không thời gian tập trung khối lượng của lỗ đen.

Theo cơ học cổ điển của vật lý, không gì có thể thoát khỏi một lỗ đen. Tuy nhiên, mọi thứ thay đổi đôi chút khi cơ học lượng tử được thêm vào trong phương trình. Theo cơ học lượng tử, mỗi hạt đều có một phản hạt, là một hạt có cùng khối lượng nhưng ngược dấu tích điện. Khi chúng gặp nhau, cặp hạt - phản hạt có thể tiêu diệt lẫn nhau.

Nếu một cặp hạt - phản hạt được tạo ra chỉ ngay đằng sau ranh giới chân trời sự kiện của một lỗ đen, thì có khả năng một hạt sẽ bị rơi vào lỗ đen trong khi hạt còn lại bị bắn ra ngoài. Kết quả là chân trời sự kiện của lỗ đen có thể thu nhỏ lại và các lỗ đen có thể bị phân rã, một quá trình bị loại bỏ theo cơ học cổ điển.

Các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu để hiểu các phương trình về sự hoạt động của lỗ đen.

Theo Space

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.

Bài viết xem nhiều