Như một ngôi sao, hành tinh và các thiên thể bình thường khác, hố đen, các nhà khoa học đã phát hiện ra được chúng trong những năm gần đây, có những tính chất vật lý để phân biệt chúng với những thứ khác. Vì tính chất phi thường của hố đen, đặc biệt là chúng đen và vô hình, nên có rất ít tính chất của chúng có thể đo đạc được từ bên ngoài. “Từ bên ngoài,” John Gribbin giải thích,
Bạn có thể [tính toán] khối lượng của hố từ lực hấp dẫn và vận tốc tự quay của nó. Nếu nó có mang điện tích, bạn cũng có thể đo đạc được. Nhưng những… tính chất đó là tất cả những gì bạn có thể đo đạc được. Không có cách nào nói loại vật chất gì đi vào đó trước khi bị nuốt gọn… dù đó là một ngôi sao, một giọt nước, hay một gói đồ ăn đông lạnh. Không thể phân biệt một hố đen làm từ vật chất của các sao với hố đen làm từ cái gì khác, để biểu diễn cho ý này câu “hố đen không có tóc [không có tính chất vật lý dễ phân biệt, hữu hình],” được đặt bởi [John] Wheeler và đồng sự của mình là Kip Thorne trong những năm đầu 1970.22
Tuy nhiên, dù hố đen “không có tóc,” chúng cũng thể hiện một tính chất rõ ràng khi chúng tương tác với vũ trụ quanh chúng. Khi quan sát những hoạt động này, các nhà khoa học có thể đặt ra các giả thuyết và tính toán những tính chất không thể thấy hay tính toán trực tiếp của hố đen. Và càng nhiều người nghiên cứu những thiên thể kỳ lạ này, họ sẽ càng có khả năng khám phá những bí mật giấu kín của vũ trụ. Hơn nữa, nghiên cứu càng nhiều càng tốt những tính chất của hố đen có thể mang đến nhiều lợi ích cho con người. Một ngày nào đó chúng ta có thể khai thác và tận dụng một ít năng lượng vô tận tạo ra từ những thiên thể này.
Tính Toán Khối Lượng và Bán Kính của một Hố Đen
Tính chất đầu tiên và chắc chắn nhất có thể đo đạc được đó là khối lượng của hố đen. Rõ ràng, hố đen phải có khối lượng rất lớn và đặc, vì mỗi hố đen có hầu hết vật chất của một ngôi sao khổng lồ bị nén lại trong một vùng không gian nhỏ quá mức tưởng tượng. Vậy làm thế nào các nhà khoa học trên Trái Đất có thể đo được khối lượng của một hố đen hay các thiên thể khác nằm cách xa chúng ta hàng nghìn tỷ kilomet? Điều đó còn phụ thuộc vào việc có ngôi sao nào hay các thiên thể lớn nằm gần hố đen hay không. Nếu nó trôi nổi trong không gian một mình, cách xa các thiên thể khác, các nhà khoa học không có cách gì có thể đo được khối lượng của chúng cả.
Ngược lại, nếu hố đen và một ngôi sao quay quanh nhau (thực ra, chúng quay quanh một tâm khối chung), các nhà khoa học có thể dùng các công thức cho lực hấp dẫn của vũ trụ để tính khối lượng của chúng. Đầu tiên, dùng các dụng cụ nhạy và toán học, họ đo khoảng cách giữa hai thiên thể. Sau đó họ tính vận tốc quỹ đạo (vận tốc chúng đi trên quỹ đạo của mình). Cuối cùng, họ kết hợp chúng lại vào một phương tình và xác định khối lượng. Như Thomas Arny nói, cách thức này “có thể được dùng để đo khối lượng của bất kỳ thiên thể nào quay quanh một thiên thể khác. Như vậy, hấp dẫn trở thành công cụ để đo khối lượng của các vật thể thiên văn.”23 Trong trường hợp hố đen, các nhà khoa học thường biểu diễn khối lượng của chúng bằng bội số của khối lượng Mặt Trời. Một hố đen được cho là có khối lượng bằng 8, 12, 20 hay con số khác của khối lượng Mặt Trời.
Định Mệnh Cắt Ngắn một Sự Nghiệp Thiên TàiNhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild, sinh ra vào năm 1973, đã đóng góp chính cho sự hiểu biết về các thiên thể siêu đặc và tính chất của chúng đối với không gian và thời gia. Ông trở thành giám đốc Đài Quan Sát Vật Lý Học Thiên Thể ở Potsdam năm 1909. Năm 1915, khi phục vụ cho đất nước trong Thế Chiến I, ông nghe nói đến công trình của Einstein về thuyết tương đối rộng. Schwarzschild liên lạc với Einstein và liên tục thông tin về cố gắng của mình về việc giải thích dạng hình học của không thời gian xung quanh một thiên thể siêu đặc ở trạng thái một điểm, hay còn gọi là điểm kỳ dị. Trong số những khám phá từ phương trình toán học của Schwarschild là điểm kỳ dị có thể cách chân trời sự kiện một khoảng xác định, khoảng cách mà sau này các nhà khoa họ đã đặc tên là bán kính Schwarzschild để vinh danh ông. Đáng tiếc, ông mắc một căn bệnh ngoài dai trong quân ngũ và mất. Eisten trình bày ý tưởng chấn động của bạn mình cho hội đồng khoa học chỉ hai tháng trước khi Schwarzschild mất vào tháng năm 1916 ở tuổi bốn hai. |
Phần cốt yếu của kịch bản hủy diệt này là, trên đường đi vào hố đen, vật chất sẽ đi qua cái gọi là “điểm không quay lại,” các nhà khoa học gọi nó là chân trời sự kiện. Khi vật chất còn ở ngoài chân trời sự kiện, nó vẫn còn cơ hội thoát thân. Tuy nhiên, một khi đã vượt qua chân trời sự kiện, nó sẽ biến mất trong giếng hấp dẫn của hố đen. Khoảng cách từ tâm của một hố đen, gọi là điểm kỳ dị, tới chân trời sự kiện là bán kính Schwarzschild, được đặt theo tên nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild, người phát minh ra nó vào năm 1915.
Các phương trình toán học cho thấy chắc chắn bán kính này thay đổi tùy theo khối lượng của hố đen. Hố càng nặng, bán kính Schwarzschild càng dài, và ngược lại, hố có khối lượng càng nhỏ, bán kính càng ngắn. Một hố đen có khối lượng Mặt Trời sẽ có bán kính Schwarzschild bằng 1,86 dặm; và một hố đen có khối lượng bằng mười lần khối lượng Mặt Trời sẽ có bán kính khoảng 20 dặm. Vì vậy, trong trường hợp thứ hai, điểm không quay lại cho bất cứ vật chất nào đi đến gần hố đen nằm cách điểm kỳ dị, hay tâm, 20 dặm.
Đặt sự Tự Quay lên Hố Đen
Karl Schwarzschild trình bày phương trình của mình đối với một hố đen được giả thuyết là không tự quay quanh trục. Vì vậy, các nhà khoa họ họi một hố đen giả thuyết không quay là hố đen Schwarzshild. Kiểu hố này khá tốt khi dùng để tính toán khoảng cách từ điểm kỳ dị tới chân trời sự kiện. Nhưng nó có chính xác khi biểu diễn trạng thái của một hố đen thực sự không? Hầu hết các nhà vật lý cho là không. Lý do là vì họ đã biết rằng tất cả các thiên thể quan sát được trong vũ trụ đều vừa quay quanh trục và tạo ra một tính chất đo đạc được là động lượng góc.
Động lượng góc là xu hướng của một vật thể đang quay tiếp tục giữ sự tự quay đó. Nếu vật thể đó lớn hơn hay nhỏ đi, năng lượng quay ban đầu của nó sẽ vấn được bảo toàn nhờ điều chỉnh vận tốc quay cho thích hợp. Ví dụ, khi một vận động viên trược băng đang xoay tròn mà dang rộng tay ra, bằng cách làm cho cơ thể lớn ra, vận tốc quay của người đó cũng giảm xuống; ngược lại, khi người đó ép tay vào người, vận tốc quay sẽ tăng lên.
Hiệu ứng này có thể thấy được khi một sao lớn suy sập thành sao notron. Ngôi sao ban đầu tự quay với vận tốc xác định, có lẽ là một vòng trên hai mươi hay ba mươi ngày. Sau khi suy sập, động lượng góc của nó được chuyển sang sao notron nhỏ hơn nhiều, bây giờ nó quay nhiều vòng trên giây. Điều này là bằng chúng cho thấy hố đen cũng đi theo cảnh tương tự. Isaac Asmov tóm tắt như sau:
Khi một ngôi sao suy sập, để được như vậy, vận tốc tự quay phải tăng lên. Sự suy sập càng nhiều, vận tốc tự quay của nó càng lớn. Một sao notron mới có thể quay hàng ngàn vòng trên giây. Hố đen phải quay nhiều hơn vậy. Không có cách gì chối cãi được điều đó. Chúng ta có thể nói mọi hố đen đều có khối lượng và động lượng góc.24
Như vậy, cái chúng ta cần sau khi Schwarzschild công bố tính toán của mình cho các hố đen không quay là một đáp án toán học biểu diễn dùng được cho các hố đen quay, vì người ta tin rằng mọi hố đen đều quay. Mục tiêu này đạt được vào năm 1963 nhờ nhà thiên văn học New Zealand tên Roy P. Kerr, sau đó ông làm việc cho Trường đại học Texas. Kể từ đó, để vinh danh Kerr, các nhà khoa học thường gọi các hố đen quay là hố đen Kerr. Sự xác nhận rõ ràng cho các thiên thể này đến vào Tháng Tám 2001, khi các nhà khoa học ở Goddard Space Flight Center (Trung tâm du hành không gian Goddard-ND) (ở Greenbelt, Maryland) của NASA đã phát hiện ra một hố đen quay nằm các Trái Đất khoảng mười ngàn năm ánh sáng. (Một năm ánh sáng là khoảng cách ánh sáng bay trong một năm, vào khoảng 6 nghìn tỷ dặm.)
22. Gribbin, In Search of the Edge of Time, p. 130.
23. Arny, Explorations, p. 70.
24. Asimov, Collapsing Universe, p. 217.
(Còn nữa...)
Trịnh Khắc Duy - PAC
