Vào khoảnh khắc cuối cùng của một ngôi sao khổng lồ, chúng hút bản thân chúng vào trung tâm và phát nổ, tạo ra lỗ đen. Lượng vật chất siêu lớn bị dồn nén lại chỉ trong đường kính rất nhỏ, nên lực hút của lỗ đen rất lớn, lớn đến mức ánh sáng một khi đã đi qua đường chân trời sự kiện của lỗ đen cũng không thể thoát ra ngoài.
Bản chất lỗ đen là vô hình trong mắt chúng ta, vì không có ánh sáng nào phản chiếu từ lỗ đen đến mắt chúng ta. Tuy nhiên, vật chất như bụi sao và các ngôi sao bị lỗ đen hút vào và xoay xung quanh đường chân trời sự kiện, tạo thành một đĩa bồi tụ sáng chói. Vậy thì, chuyện gì sẽ xảy ra nếu bạn đến gần, hoặc đi thẳng vào lỗ đen?
Đĩa bồi tụ có thể trở nên rất lớn, nhưng chúng luôn cách đường chân trời sự kiện một khoảng cách cố định để giữ tính ổn định và không bị hút vào. Khoảng cách này được gọi là Bán kính Schwarzschild, được đặt tên theo nhà vật lý học Karl Schwarzschild, và chúng có công thức:
Trong đó:
- Rs là bán kính hấp dẫn Schwarzschild, đơn vị là m,
- G là hằng số hấp dẫn (6.6742*10-11m3kg-1s-2),
- M là khối lượng vật thể, đơn vị là kg,
- c là vận tốc ánh sáng trong chân không (299.792.458 m/s).
Chúng ta sẽ nhìn thấy thứ gì?
Không chỉ có vật chất và các ngôi sao xoay xung quanh lực hút khổng lồ của lỗ đen, cả ánh sáng cũng như vậy. Dù ánh sáng không thể thoát khỏi lỗ đen một khi đã bước qua đường chân trời sự kiện, nhưng ở khoảng cách xa hơn so với điểm kỳ dị thì chúng có thể xoay xung quanh. Vùng này được gọi là mặt cầu photon (rộng khoảng 1,5Rs), và ở vùng này bạn sẽ thấy… chính bản thân, vì ánh sáng phản chiếu từ bạn sẽ xoay một vòng xung quanh lỗ đen và đến mắt bạn.
Thêm vào đó, thời gian xung quanh lỗ đen cũng bị biến đổi. Bạn sẽ trải nghiệm hiện tượng giãn nở thời gian: bạn càng đến gần lỗ đen, thời gian càng trôi chậm. Hiện tượng này được biểu hiện thông qua sự giảm tần số của các tia sáng xung quanh lỗ đen. Sự giảm tần số này sẽ tạo ra hiện tượng dịch chuyển đỏ do hấp dẫn, theo công thức như sau:
Trong đó:
- v (Hz) là tần số của bức xạ phát ra từ khoảng cách r (m) của lỗ đen,
- v∞ (Hz) là tần số của bức xạ quan sát được từ một vị trí xa vô cùng.
Từ công thức, chúng ta có thể thấy rằng tần số của bức xạ ở điểm vô cùng sẽ tiến về 0 khi chúng ta tiến gần về lỗ đen. Khi đó, bạn sẽ ngắm nhìn vũ trụ bên ngoài trôi đi với tốc độ chóng mặt, còn những người bên ngoài sẽ nhìn bạn chuyển động từ từ chậm rãi cho đến khi bạn như thể đã “đóng băng” trên đường đi. Hình ảnh của bạn sẽ nhỏ dần, và biến mất trong tầm nhìn bên ngoài.
Chúng ta sẽ trải nghiệm điều gì?
Điều đặc biệt của lỗ đen chính là khối lượng riêng dị biệt của nó. Lỗ đen là vật thể có khối lượng riêng lớn nhất vũ trụ. Khi chúng ta đến quá gần lỗ đen, chúng ta sẽ được cảm nhận hiệu ứng sóng thủy triều: sự biến dạng của một vật gây ra bởi chênh lệch ảnh hưởng trọng trường ở hai đầu xa và gần của vật đó.
Khi đến quá gần, những vật chất lân cận như chúng ta sẽ bị hút vào theo hướng khác thường. Bộ phận nào của chúng ta ở gần lỗ đen hơn sẽ chịu sức hút lớn hơn, và bộ phận nào ở xa hơn sẽ bị hút nhẹ hơn. Nhờ vào trọng lượng riêng siêu lớn của lỗ đen, hai đầu xa gần của chúng ta sẽ cảm nhận lực hút rõ ràng hơn rất nhiều, và cơ thể bạn sẽ cảm nhận như đang bị kéo dãn ra.
Khi bạn đã tiến vào đường chân trời sự kiện, bạn không còn có thể quay đầu vì lực hút không tưởng. Bạn càng tiến sâu, hiệu ứng này càng mạnh mẽ, bạn càng bị kéo dài ra và mỏng hơn. Cơ thể của bạn sẽ bị ép mỏng đến độ những gì còn lại sẽ chỉ là một dải plasma mỏng cuốn vào lỗ đen. Quá trình này được gọi là “spaghettification” hay dịch tạm là “sự mì ống hóa”. Tên gọi này xuất phát từ tựa sách “Lược sử thời gian” của Stephen Hawking, trong đó ông mô tả việc một nhà phi hành gia giả định đi vào đường chân trời sự kiện và bị “kéo dãn như mì ống”, từ đó tạo ra cái tên.
Điều thú vị khác về lỗ đen
Ở trung tâm của lỗ đen, chúng ta có điểm kì dị. Đây là điểm giả định nơi mọi vật chất bị hút vào và nghiền nát thành một điểm nhỏ đến vô cùng. Lượng vật chất ấy lúc này bị mất “thông tin”, tính chất giúp định hình thành phần cấu tạo của vật chất; kể cả từ trường của chúng cũng biến mất. Lỗ đen khi đó chỉ có 3 tính chất có thể quan trắc được: khối lượng, mô-men động lượng, và điện tích.
Vậy thông tin này cho chúng ta biết điều gì? Ta sẽ thấy chúng khá tương đồng với những hạt sơ cấp như electron hay photon trên phương diện các tính chất cơ bản. Tức là, hai lỗ đen có cùng giá trị của các tính chất sẽ giống nhau và không có điểm khác nhau đặc biệt nào cho riêng từng lỗ đen. Nhưng những tính chất trên của điểm kỳ dị hoàn toàn chỉ dựa trên giả thuyết, và nó không hoàn toàn mô tả đúng thực tại của vũ trụ bao la ngoài kia.
Tương lai của nghiên cứu khoa học về lỗ đen
Liệu chúng ta một ngày sẽ phát triển khoa học đến mức hiểu hoàn toàn về lỗ đen không? Hiểu được thứ gì đang xảy ra ở bên trong chúng? Có lẽ chúng ta sẽ để các thế hệ tương lai đầy tiềm năng, kiến thức và đam mê về vũ trụ rộng lớn này trả lời. Sau cùng, khoa học là một vòng lặp vô tận của đặt câu hỏi, trả lời, và lại đặt câu hỏi về chính câu trả lời đó.
Tham khảo:
[1]Lerner, Louise. “Black Holes, Explained.” University of Chicago News, 2023
[3]Sneppen, Albert. “Divergent Reflections around the Photon Sphere of a Black Hole.” Nature news, 2021
[5]In a Nutshell, Kurzgesagt. “What If You Fall into a Black Hole?” YouTube
[6] Karttunen, Hannu, Pekka Kröger, Heikki Oja, Markku Poutanen, and Karl Johan Donner. “15.3 Black Holes.” Essay. In Fundamental Astronomy, Sixthed., 320–321. Heidelberg, Berlin: Springer Berlin, Heidelberg, 2016.
