Hiện nay hầu hết mọi người đều đã nghe nói đến hố đen. Nhưng rất nhiều người không chuyên không biết những vật thể kỳ lạ này chính xác là cái gì và chúng có khả năng làm được những gì. Một phần là do cái tên của nó hơi không chính xác. Hố đen không phải đơn giản là một cái lỗ không có gì cả, hay trống rỗng, trong không gian, mà là một thực thể trong vũ trụ với khối lượng rất lớn. (Khối lượng là đơn vị đo lượng vật chất có trong một vật thể.) Một hố đen có cấu trúc lỗ hay đường hầm; nhưng không trống rỗng, nó có các tính chất vật lý, những thứ có thể đo được bằng các dụng cụ của con người.

Ví dụ, khối lượng lớn của hố đen tạo ra một trường hấp dẫn lớn mà các nhà khoa học có thể phát hiện ra. Hấp dẫn là lực của tất cả vật chất kéo các vật thể lại với nhau. Các vật thể nhỏ như các phân tử, đá cuội, con người, nhà cửa và thậm chí cả bốn, lực hấp dẫn quá nhỏ để giác quan con người nhận ra hay để các dụng cụ có thể đo đạc được; chỉ có các hành tinh hay lớn hơn, lực hấp dẫn mới rõ ràng và đo đạc được. Ví dụ, lực hấp dẫn của Trái Đất giữ Mặt Trăng quay quanh nó, và lực hấp dẫn của Mặt Trời, ngôi sao nằm tại tâm hệ mặt trời của chúng ta, giữ Trái Đất và các hành tinh khác quay quanh nó. Tương tự, hố đen tạo ra lực hấp dẫn hút mọi thứ về phía nó khi chúng đến quá gần. “Thực tế,” nhà thiên văn học Thomas T. Arny viết,

Trường hấp dẫn tạo ra bởi một hố đen không khác các vật thể cùng khối lượng khác. Ví dụ, nếu Mặt Trời bằng một cách nào đó bất ngờ biến thành hố đen với khối lượng nó đang có [điều này không thể xảy ra], Trái Đất vẫn sẽ quay quanh nó giống như bây giờ.⁶

"Tạo vật của Hấp dẫn"

Hố đen không chỉ tạo ra một lực hấp dẫn cực lớn, chúng cũng đồng thời có một quá trình dùng lực hấp dẫn nén một lượng lớn vật chất vào một khoảng không gian rất nhỏ. Điều này làm cho chúng trở thành các vật thể cực nặng, hay cực đặc. Cực nặng và khối lượng lớn là các vật thể có khối lượng lớn hơn nhiều so với cách hành tinh và sao thông thường, chúng có khổi lượng nhỏ hơn. Thực tế, lực hấp dẫn của hố đen lớn đến nỗi có thể cầm tù được cả ánh sáng, vật chất có vận tốc lớn nhất trong tự nhiên. Đó là lý do vì sao hố đen lại có màu đen-không có ánh sáng thoát ra để cho mắt người hay kính viễn vọng thấy được hinh dạng nó.

Bức tranh của một thiên hà ở xa hiện rõ những đám mây khí quay tít.
Các nhà thiên văn học cho rằng đám mây khí ở giữa đang ẩn giấu một hố đen.

Dựa vào mối quan hệ giữa hố đen và lực hấp dẫn, hố đen có thể được gọi là “tạo vật của hấp dẫn.” Vì không thể nghiên cứu hố đen nếu không biết lực hấp dẫn hoạt động như thế nào, đặc biệt là đối với trường hợp cực độ như vậy. Thực tế, phải mất nhiều năm miệt mài nghiên cứu lực hấp dẫn hoạt động như thế nào thì các nhà khoa học mới lần đầu xác định được sự tồn tại của hố đen, mặc dù tại thời điểm đó người ta không gọi nó là hố đen và cũng không có một mảnh bằng chứng nào chứng tỏ sự tồn tại của chúng.

Phát Kiến về Lực Hấp Dẫn của Vũ Trụ

Lý thuyết đầu tiên về hấp dẫn xuất hiện vào năm 1666. Trước ngày này, các nhà khoa học cho rằng lực giữ con người, nhà cửa, cây cối, và núi non nằm vững chắc trên Trái Đất và lực giữ cho Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời là các lực khác nhau riêng biệt. Sau đó một người đàn ông xuất sắc người Anh tên Issac Newton chỉ ra rằng điều đó không đúng; cùng lúc đó, ông giải thích lực hấp dẫn hoạt động như thế nào.

Theo Newton, ông có ý tưởng về lực hấp dẫn lần đầu tiên khi ông thấy một trái táo rơi từ trên cây xuống. Ông không ngạc nhiên về việc trái táo rơi xuống và chạm mặt đất, tất nhiên, bởi vì đã có kinh nghiệm từ lâu đời rằng có một năng lực bí ẩn nào đó luôn kéo mọi vật về phía tâm Trái Đất. Thứ kích thích mối quan của ông là mối quan hệ giữa khoảng cách và lực bí ẩn trên. Ông nảy ra suy nghĩ là dù có đứng trên đỉnh núi cao nhất của thế giới và ném trái táo, nó cũng sẽ chắc chắn rơi xuống như từ trên cành cây. Điều đó có nghĩa lực bí ẩn này đủ mạnh để kéo một vật ở độ cao mười ngàn foot. Có thể lực này hút được cả những vật xa hơn nữa.

Điều này dẫn Newton tới ý nghĩ về Mặt Trăng, nó cách chúng ta cả trăm ngàn dặm. Có thể, ông suy luận, một lực tương tự làm trái táo rơi đang kéo Mặt Trăng. Trong trường hợp này, Mặt Trăng đang “rơi” vào Trái Đất và lý do duy nhất để hay thiên thể này không đụng vào nhau đó là do Mặt Trăng liên tục chuyển động ra xa, vào không trung, đã thoát khỏi, hay cân bằng, lực hút bí ẩn kia. Từ nhận thức logic (và đúng đắn) này, không phải mất công nhiều lắm khi cho rằng một lực y hệt cũng đang làm cho Trái Đất và các hành tinh khác di chuyển quanh Mặt Trời. Newton kết luận rằng lực bí ẩn trên, ông gọi là lực hấp dẫn, tồn tại xuyên suốt vũ trụ, và thậm chí đó là vũ trụ. Để cho thích hợp, ông đã đặt tên thuyết mới của mình là định luật vạn vật hấp dẫn.

Bằng một phương trình đẹp đẽ, Newton đã biểu thị lực hấp dẫn giữa hai vật thể phụ thuộc vào hai yếu tố-- khối lượng của các vật và khoảng cách giữa chúng. Một vật nhỏ với khối lượng nhỏ, ông chỉ ra, sẽ tác động một lực hút rất bé lên vật khác; một vật rất lớn với khối lượng rất lớn, như các hành tinh, sẽ tác động một lực hấp dẫn có thể đo đạc được lên các vật khác. Cùng lúc đó, khoảng cách cũng tham gia vào. Các vật thể càng xa, Newton nói, sẽ có lực hấp dẫn nhau càng yếu. Và điều ngược lại cũng đúng, các vật thể càng gần thì hút nhau càng mạnh. Điều này giải thích vì sao Mặt Trời dễ dàng tác động lực hút của mình lên Trái Đất, vì nó nằm gần ngôi sao này, nhưng lực hấp dẫn của Mặt Trời lại không có ý nghĩa gì tới các vì sao khác, vì chúng tồn tại ở khoảng cách gấp khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời cả ngàn lần.

Nhà thiên văn học người Anh Issac Newton đã giới thiệu một phương trình toán học để tính toán lực hấp dẫn của các vật thể.

Định luật hấp dẫn của Newton làm một cuộc cách mạng cho vật lý học, đặc biệt cho các nhà nhiên cứu vật lý và thiên văn. Nhà văn khoa học John Gribbin đã viết:

Newton đã thật sự giải thích được lý do trái táo rơi và chuyển động của Mặt Trăng chỉ bằng một định luật. Bằng hành động đó, ông đã giải tỏa được bí ẩn về quy luật vận động của các thiên thể, và mở mắt cho các nhà khoa học thực tế về quy luật của các hành tinh và các ngôi sao--quy luật của cả vũ trụ-- có thể được giải thích bằng một định luật vật lý, định luật mà từ nghiên cứu tới phòng thí nghiệm được thực hiện ngay trên Trái Đất.⁷

Vận tốc thoát và những ngôi sao tàng hình

Một trong những vấn đề liên quan tới định luật hấp dẫn của Newton đó là nó chắc chắn dẫn đến một khái niệm cơ bản về một thứ mà ngày nay chúng ta gọi là hố đen. Khi nghiên cứu về lực hấp dẫn, một số thành công tức thì của ông chỉ về điều kiện để thoát khỏi lực hút. Phương trình của Newton chỉ ra tại sao Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời mà không bị rơi vào nó; cụ thể, là hành tinh chuyển động ra xa Mặt Trời nhưng chỉ với vận tốc đủ để cân bằng với lực hấp dẫn mạnh mẽ kia. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu Trái Đất đột ngột tăng tốc, vài nhà khoa học thắc mắc? Một cách hợp lý, nó sẽ vượt khỏi lực hấp dẫn của Mặt Trời và thoát khỏi sự ràng buộc của ngôi sao.

Vận tốc của một vật thể cần để có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của vật thể khác gọi là vận tốc thoát. Vận tốc thoát của Trái Đất, ví dụ, là khoảng bảy dặm trên giây, điều đó có nghĩa là một tên lửa hay tàu vũ trụ phải đạt được vận tốc đó mới thoát khỏi lực hút Trái Đất. Ngược lại, một tên lửa bay với vận tốc bảy dặm trên giây trên Sao Mộc sẽ không thoát khỏi hành tinh này. Nguyên nhân là vì Sao Mộc nặng hơn nhiều so với Trái Đất bởi vậy nó có lực hấp dẫn lớn hơn nhiều. “Vận tốc thoát của các thế giới khác nhau thì khác nhau,” nhà văn khoa học nổi tiếng Issac Amov giải thích.

Một thế giới nhẹ hơn Trái Đất… có vận tốc thoát trên bề mặt thấp hơn…. Mặt khác, những thế giới nặng hơn Trái Đất sẽ có vận tốc thoát lớn hơn. Không ngạc nhiên khi trong hệ các hành tinh, Sao Mộc lại có vận tốc thoát lớn nhất…. Trên bề mặt Sao Mộc, vận tốc thoát lớn hơn 5,4 lần vận tốc thoát trên bề mặt Trái Đất.⁸

Trong những năm 1700, vài nhà khoa học có những suy nghĩ đáng kể về ý tưởng rằng vật thể có khối lượng càng lớn sẽ có vận tốc thoát càng lớn. Một trong những nhà nghiên cứu này là nhà thiên văn học người Anh John Michell, ông đã nghiên cứu một cách tỷ mỉ về đặc tính của những ngôi sao. Rõ ràng có nhiều ngôi sao trên trời có khối lượng lớn hơn Mặt Trời. Michell không biết liệu có giới hạn trên cho kích thước của các ngôi sao không. Nhưng ít nhất theo lý thuyết, ông đề xuất, tồn tại những ngôi sao với khối lượng kinh khủng, và như vậy, lực hấp dẫn của chúng sẽ là khổng lồ. Thêm nữa, vận tốc thoát của những ngôi sao lớn như vậy cũng vì vậy mà sẽ rất lớn.

Điều này dẫn Michell tới một suy nghĩ vận tốc thoát lớn nhất mà một ngôi sao có thể có được là bao nhiêu. Và với hệ quả của dòng suy luận logic này, ông tự hỏi không biết điều gì sẽ xảy ra nếu một ngôi sao có vận tốc thoát đạt tới vận tốc ánh sáng-- 186.000 dặm trên giây. Trong trường hợp đó, ông kết luận, ngay cả ánh sáng cũng không thoát khỏi ngôi sao này. Trong một bài báo xuất bản năm 1784, ông viết: “nếu trong tự nhiên thật sự tồn tại các thiên thể mà… đường kính lớn hơn 500 lần Mặt Trời,” chúng sẽ có lực hấp dẫn và vận tốc thoát khổng lồ. Vì vậy, "tất cả ánh sáng phát ra từ nó sẽ bị hút quay trở lại bằng sức mạnh khổng lồ của lực hấp dẫn của chính mình.” Và vì ánh sáng không thể thoát khỏi ngôi sao, “chúng ta không thể có thông tin nhìn thấy được gì từ nó."⁹ Nói cách khác, ngôi sao có thể tối và vì vậy tàng hình trước mắt người và kính viễn vọng. Bằng một cách thích đáng, Michell gọi chúng là “sao tối.”

Michell không phải là nhà khoa học duy nhất ở thời điểm này bị mê hoặc bởi tác dụng của lực hấp dẫn khổng lồ. Trong năm 1975 nhà khoa học người Pháp Pierre-Simon Laplace đề cập tới tính toán tương tự một cách độc lập. Ông viết

Ở đâu đó trên bầu trời, có thể tồn tại những thiên thể không thể nhìn thấy được với số lượng lớn, và cũng có thể rất lớn, như các vì sao. Một ngôi sao tỏa sáng với mật độ [dày đặc] như Trái Đất, và có đường kính gấp hai trăm năm mươi lần Mặt Trời, vì [lực] hấp dẫn của mình, sẽ không cho các tia [sáng] của nó tới chúng ta; vì vậy có khả năng các thiên thể lớn nhất trong vũ trụ có thể, vì nguyên nhân này, mà tàng hình.¹⁰

Dựa trên những tính toán này, ông gọi những thiên thể giả thuyết này là les corps obscures, hay "những thiên thể tàng hình."

(Còn nữa...)
Người dịch: Trịnh Khắc Duy