Vấn đề hiển nhiên trong việc tìm kiếm lỗ đen là ánh sáng không thể thoát khỏi chúng làm chúng đen và vô hình trước mắt con người và các kính viễn vọng. Vì vậy, các nhà khoa học không thể chứng minh sự tồn tại của những thiên thể này bằng cách trực tiếp thông thường. Điều này buộc lỗ phải tìm ra một cách gián tiếp, chủ yếu là quan sát hoạt động của những ngôi sao, khí và vật chất khác nằm gần các lỗ đen. Tuy nhiên, tình cờ vị trí ban đầu của lỗ đen không phải là kết quả của việc nỗ lực tìm kiếm chúng. Thực tế chúng là một phần của quá trình loại trừ khi các nhà thiên văn học thử giải thích hoạt động của một số hiện tượng kỳ lạ được phát hiện ra vào nửa sau thế kỷ hai mươi.

Tia X Vũ Trụ

Một trong những khám phá quan trọng dẫn tới việc phát hiện ra lỗ đen là vũ trụ hầu như sống cùng với các tia X. Chúng là một dạng vô hình của bức xạ điện từ mang nhiều năng lượng và khả năng xuyên qua cao hơn ánh sáng thấy được. Phát hiện đầu tiên tại phòng thí nghiệm là vào năm 1895 do nhà vật lý người Đức Wilhelm Roentgen, tia X khá phổ biến đối với mọi người trong y học. Khi một kỹ thuật viên nhắm tia X tới cơ thể người, hầu hết tia sáng đi xuyển qua cơ thể và va đập tới đĩa ảnh, tạo ra tấm hình của phần nội tạng cơ thể người bệnh.

Trong những năm theo đuổi khám phá của Roentgen, khi tia X nhân tạo trở thành dụng cụ phổ biến trong y học, một vài nhà thiên văn học nghi rằng Mặt Trời cũng tạo ra bức xạ điện từ này một cách tự nhiên. Nhưng lỗ không có ý niệm gì về biển tia X tạo ra ngoài ngôi sao của chúng ta. Như Herbert Friedman nói, "Không hề có dấu hiệu gì về một điềm báo to lớn cho nền thiên văn học tương lai. Các nhà thiên văn học vẫn quên lãng tiềm năng của tia X thiên văn học."³⁰

Phần sáng trong bức tranh tia X này là bầu khí quyển bên ngoài của Mặt Trời, hay quang quyển, là những tia X phát ra từ khí cực nóng.

Xác nhận đầu tiền rằng Mặt Trời có tạo ra tia X đến vào năm 1948, khi các nhà khoa học Mỹ đặt dụng cụ dò tìm tên lửa của quân Đức trong Thế Chiến II. Mặc dù những dụng cụ này có phát hiện ra tia X Mặt Trời, lỗ cũng chỉ ra rằng Mặt Trời không phải là nguồn phát tia X mạnh; lượng tia X tạo ra chỉ bằng một phần ngàn ánh sáng thấy được do nó phát ra. Như vậy, các nhà khoa học cho rằng các ngôi sao nhìn chung không phải là nguồn phát tia X chính.

Sau đó, tháng Sáu 1962, các nhà khoa học Mỹ lại bắn một tên lửa mang theo dụng cụ được thiết kế để dò tìm các bức xạ đến từ bề mặt Mặt Trăng. Cuộc thí nghiệm không tìm thấy bức xạ nào từ Mặt Trăng. Nhưng nó lại tìm ra một nguồn tia X đến từ bên ngoài hệ Mặt Trời. Sau khi tên lửa xác nhận sự tồn tại của nguồn này và chỉ đến chòm sao Scorpius, con bọ cạp (scorpion). Các nhà khoa học đã đặt tên nó là Scorpius X-1, hay viết ngăn lại là Sco X-1.

Được phóng vào Tháng Sáu 1999, Chandra X-ray Observatory (đài quan sát tia X Chandra) đã phát hiện ra hàng ngàn nguồn phát tia X chưa được biết trước đây.

Sau đó, nơi khác, có những nguồn tia X rất mạnh được phát hiện ra, đặc biệt là vào tháng Mười Hai 1970 năm đó người ta phóng một vệ tinh tia X tinh vi hơn. Vệ tinh này, tên Uhuru, và vài dụng cụ dò nhạy hơn được phóng sau đó, chứng tỏ rằng bầu trời đúng là đặc kín nguồn phát tia X; vài nhà khoa học bắt đầu đặt hiện tượng chưa được biết tới trước đâu là “tia X vũ trụ.”

Phát Hiện Sự Hiện Diện của một lỗ Đen

Các nhà thiên văn học nhanh chóng thấy được Sco X-1 và nhiều nguồn tia X tương tự, bao gồm cả pulsar trong Tinh Vân Con Cua, là những sao neutron. Và lỗ xây dựng được một mô hình giải thích làm cách nào mà các sao notron trong các hệ sao đôi có thể phát ra tia X mạnh mẽ như vậy. John Gribbin giải thích rằng trong một hệ sao nhị phân (binary star), hai thiên thể, một bình thường, và một là sao notron siêu đặc, chúng quay quanh nhau, kéo nhau bằng hấp dẫn của chúng…. Khí từ bầu khí quyển của sao lớn sẽ bị xé ra do tác động thủy triều và bị hút về phía sao nhỏ, nó sẽ tạo thành một cái đĩa vật chất quay vòng và tỏa nhiệt…. Ngôi sao nhỏ, đặc được bao bọc bởi khí cực nóng, hay plasma, bức xạ tia X… và liên tục được tiếp thêm khí mới từ ngôi sao lớn hơn.³¹

Thực tế những nguồn tia X mạnh này là những sao neutron chỉ cho các nhà thiên văn học biết rằng những dòng lớn tia X thường liên quan tới các thiên thể siêu đặc. Dựa vào đó, ít nhất vài nhà khoa học không tham gia nhưng nghi ngờ rằng còn có một loại thiên thể siêu đặc khác -- như các lỗ đen còn là giả thuyết -- có thể hé lộ sự hiện diện của mình bằng cách phát ra các tia X. Và thực tế, một nguồn tia X mạnh lần đầu vào những năm 1960 có vẻ là một ứng viên lỗ đen đầy hứa hẹn. Nằm ở chòm Cygnus, con thiên nga (swan), mang tên Cygnus X-1 hay viết tắt là Cyg X-1.

Như Sco X-1, Cyg X-1 thuộc một hệ sao nhị phân. Nhưng không giống trường hợp Sco X-1, thiên thể quay quanh sao bình thường trong Cyg X-1 hoàn toàn không phát ra một tia sáng thấy được nào cả. Hơn nữa, vụ nổ tia X từ Cyg X-1 có tần số phát đáng ngạc nhiên -- khoảng một ngàn lần hoặc hơn trong một giây. Điều này nói cho các nhà thiên văn học biết rằng thiên thể bí ẩn kia phải rất nhỏ và rất chắc. Theo Friedman (người trong những những năm 1960 đã tiên đoán Sco X-1 là một sao notron):

Một ngôi sao không thể thay đổi độ sáng mất ít thời gian hơn ánh sáng [tia X hay những dạng khác của sóng điện t] đi hết đường kính của nó được…. Vì vậy, vì Cyg X-1 phát ra chùm sáng trong một phần ngàn giây, có nghĩa là vùng phát tia X không thể lớn hơn 300 kilomet [khoảng 186 dặm] được.32

Một lý do khác mà các nhà khoa học cho rằng Cyg X-1 là một lỗ đen là khối lượng của nó lớn khủng khiếp đối với một kích thước nhỏ như vậy. Ngôi sao bình thường là một người khổng lồ với khối lượng khoảng ba mươi lần khối lượng Mặt Trời. Các nhà thiên văn học có thể nghiên cứu tính chất quỹ đạo của nó và từ đó tính ra khối lượng của người đồng hành vô hình kia. Họ tính được nó khoảng chín lần khối lượng Mặt Trời, quá nặng đối với một sao notron, điều này đã mạnh mẽ chỉ ra rằng hệ Cyg X-1 đang ẩn giấu một lỗ đen.

Bức tranh cho thấy hên Cygnus X-1 trông như thể nào. Vật chất từ sao khổng lồ bị hút vào đĩa bồi thêm của lỗ đen.

 

(Còn nữa...)

Trịnh Khắc Duy - PAC

• MỤC LỤC - Hố đen - Don Nardo