Trong phần lớn thế kỷ 20, lỗ đen dường như là thứ của khoa học viễn tưởng, được miêu tả như những chiếc máy hút bụi quái vật hút hết vật chất xung quanh chúng, hoặc như những đường hầm từ vũ trụ này sang vũ trụ khác. Nhưng sự thật về lỗ đen gần như xa lạ hơn viễn tưởng. Khi tiếp tục hành trình vào vũ trụ, chúng ta sẽ khám phá ra rằng lỗ đen là chìa khóa để giải thích nhiều vật thể bí ẩn và đáng chú ý — bao gồm các ngôi sao sụp đổ và trung tâm hoạt động của các thiên hà khổng lồ.

Hình 24.1 Lỗ đen khối lượng sao. Ở bên trái, một hình ảnh ánh sáng khả kiến cho thấy một vùng trời trong khu vực chòm sao Thiên Nga (Cygnus); Khung màu đỏ đánh dấu vị trí của nguồn tia X có tên Cygnus X-1. Nó là một ví dụ về một lỗ đen được tạo ra khi một ngôi sao lớn sụp đổ vào cuối vòng đời của nó. Cygnus X-1 nằm trong một hệ sao đôi và hình minh họa của nghệ sĩ ở bên phải cho thấy lỗ đen đang kéo vật chất ra khỏi một ngôi sao đồng hành lớn màu xanh lam. Vật chất này tạo thành một cái đĩa (có màu đỏ và cam) quay xung quanh lỗ đen trước khi rơi vào nó hoặc được chuyển hướng ra khỏi lỗ đen dưới dạng các luồng mạnh. Vật chất trong đĩa (trước khi rơi vào lỗ đen) nóng đến mức phát ra tia X, giải thích tại sao vật thể này là một nguồn phát tia X. (tín dụng bên trái: sửa đổi công việc của DSS; tín dụng bên phải: sửa đổi công việc của NASA / CXC / M.Weiss)

Hầu hết các ngôi sao kết thúc cuộc đời của chúng dưới dạng sao lùn trắng hoặc sao neutron. Tuy nhiên, khi một ngôi sao rất lớn sụp đổ vào cuối vòng đời của nó, ngay cả lực đẩy lẫn nhau giữa các neutron dày đặc cũng không thể hỗ trợ lõi chống lại trọng lượng của chính nó. Nếu khối lượng còn lại của lõi ngôi sao lớn hơn khoảng ba lần so với Mặt trời (MSun), thì lý thuyết của chúng ta dự đoán rằng không có lực nào đã biết có thể ngăn nó sụp đổ mãi mãi! Lực hấp dẫn chỉ đơn giản là áp đảo tất cả các lực khác và nghiền nát lõi cho đến khi nó chiếm một thể tích nhỏ vô hạn. Một ngôi sao xảy ra hiện tượng này có thể trở thành một trong những vật thể kỳ lạ nhất mà lý thuyết từng dự đoán - một lỗ đen.

Để hiểu lỗ đen là như thế nào và nó ảnh hưởng như thế nào đến môi trường xung quanh, chúng ta cần một lý thuyết có thể mô tả tác động của lực hấp dẫn trong những trường hợp khắc nghiệt như vậy. Cho đến nay, lý thuyết tốt nhất của chúng ta về hấp dẫn là lý thuyết tương đối tổng quát, được đưa ra vào năm 1916 bởi Albert Einstein.

Thuyết tương đối tổng quát là một trong những thành tựu trí tuệ lớn của thế kỷ XX; nếu đó là âm nhạc, chúng tôi sẽ so sánh nó với những bản giao hưởng tuyệt vời của Beethoven hoặc Mahler. Tuy nhiên, cho đến gần đây, các nhà khoa học không cần một lý thuyết tốt hơn về lực hấp dẫn; Những ý tưởng của Isaac Newton dẫn đến định luật vạn vật hấp dẫn của ông (xem chương Quỹ đạo và Lực hấp dẫn) là hoàn toàn đủ cho hầu hết các đối tượng mà chúng ta tiếp xúc trong cuộc sống hàng ngày. Tuy nhiên, trong nửa thế kỷ qua, thuyết tương đối tổng quát không chỉ là một ý tưởng đẹp đẽ; hiện nay nó rất cần thiết trong việc tìm hiểu các sao xung, chuẩn tinh (sẽ được thảo luận trong chương Thiên hà hoạt động, Chuẩn tinh và Lỗ đen siêu lớn), và nhiều vật thể và sự kiện thiên văn khác, bao gồm cả các lỗ đen mà chúng ta sẽ thảo luận ở đây.

Có lẽ chúng ta nên đề cập rằng đây là thời điểm trong một khóa học thiên văn khi nhiều sinh viên bắt đầu cảm thấy hơi lo lắng. Điều này là do trong nền văn hóa đại chúng, Einstein đã trở thành một biểu tượng cho sự sáng chói về toán học mà đơn giản là ngoài tầm với của hầu hết mọi người (Hình 24.2).

Hình 24.2 Albert Einstein (1879–1955). Nhà khoa học nổi tiếng này, trong ảnh trẻ hơn so với trong các bức ảnh thường thấy khác, đã trở thành biểu tượng cho trí tuệ cao trong văn hóa đại chúng. (tín dụng: NASA)

Vì vậy, khi chúng tôi viết rằng thuyết tương đối tổng quát là công trình của Einstein, bạn có thể lo lắng một chút vì tin rằng bất cứ điều gì Einstein làm phải nằm ngoài tầm hiểu biết của bạn. Quan điểm phổ biến này là đáng tiếc và sai lầm. Mặc dù các tính toán chi tiết của thuyết tương đối tổng quát liên quan đến một lượng lớn toán học cao cấp, nhưng những ý tưởng cơ bản không khó hiểu (và trên thực tế, gần như thơ mộng theo cách chúng cho chúng ta một cái nhìn mới về thế giới). Hơn nữa, thuyết tương đối tổng quát vượt ra ngoài định luật hấp dẫn “bình phương nghịch đảo” nổi tiếng của Newton; nó giúp giải thích cách vật chất tương tác với vật chất khác trong không gian và thời gian. Sức mạnh giải thích này là một trong những yêu cầu mà bất kỳ lý thuyết khoa học thành công nào cũng phải đáp ứng.

Nguyên lý tương đương

Cái nhìn sâu sắc cơ bản dẫn đến việc hình thành lý thuyết tương đối tổng quát bắt đầu với một suy nghĩ rất đơn giản: nếu bạn có thể nhảy khỏi một tòa nhà cao và rơi tự do, bạn sẽ không cảm thấy trọng lượng của chính mình. Trong chương này, chúng tôi sẽ mô tả cách thức Einstein xây dựng ý tưởng này để đạt được kết luận sâu rộng về cấu trúc của chính không gian và thời gian. Ông gọi đó là “ý nghĩ hạnh phúc nhất trong cuộc đời tôi”.

Chính Einstein đã chỉ ra một ví dụ hàng ngày minh họa hiệu ứng này (xem Hình 24.3). Lưu ý rằng trọng lượng của bạn dường như giảm đi trong thang máy tốc độ cao khi nó gia tốc từ một điểm dừng và chuyển động nhanh xuống dưới. Tương tự, trọng lượng của bạn dường như tăng lên trong thang máy bắt đầu chuyển động nhanh dần lên phía trên. Hiệu ứng này không chỉ là cảm giác mà bạn có: nếu bạn đứng trên một cái cân trong thang máy như vậy, bạn có thể đo trọng lượng của mình đang thay đổi (bạn thực sự có thể thực hiện thí nghiệm này trong một số bảo tàng khoa học).

Hình 24.3 Trọng lượng của bạn trong thang máy. Trong thang máy khi đứng yên, bạn cảm thấy trọng lượng bình thường của mình. Trong thang máy tăng tốc khi đi xuống, bạn sẽ cảm thấy nhẹ hơn bình thường. Trong thang máy tăng tốc khi đi lên, bạn sẽ cảm thấy nặng hơn bình thường. Nếu một kẻ thủ ác cắt dây cáp thang máy, bạn sẽ cảm thấy không trọng lượng khi bạn đang rơi xuống.

Trong thang máy rơi tự do, không có ma sát với không khí, bạn sẽ giảm hoàn toàn trọng lượng của mình. Nói chung, chúng tôi không muốn cắt dây cáp giữ thang máy để thử thử nghiệm này, nhưng bạn có thể đạt được trạng thái gần như không trọng lượng bằng cách đưa máy bay lên độ cao và sau đó giảm nhanh trong một thời gian. Đây là cách NASA đào tạo các phi hành gia của mình để có trải nghiệm rơi tự do trong không gian; những cảnh phi trọng lượng trong bộ phim Apollo 13 năm 1995 cũng được quay theo cách tương tự. (Các nhà làm phim kể từ đó đã nghĩ ra các phương pháp khác bằng cách sử dụng quay phim dưới nước, các pha nguy hiểm trên dây và đồ họa máy tính để tạo ra vẻ ngoài không trọng lượng được thấy trong các bộ phim như Gravity và The Martian.)

LIÊN KẾT ĐỂ HỌC

Xem cách NASA sử dụng môi trường “không trọng lượng” để giúp đào tạo các phi hành gia.

Một cách khác để trình bày ý tưởng của Einstein là: giả sử chúng ta có một con tàu vũ trụ chứa một phòng thí nghiệm không cửa sổ, được trang bị tất cả các công cụ cần thiết để thực hiện các thí nghiệm khoa học. Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng một nhà thiên văn học thức dậy sau một đêm dài ăn mừng một bước đột phá khoa học nào đó và thấy mình bị “phong ấn” trong phòng thí nghiệm này. Cô ấy không biết nó đã xảy ra như thế nào nhưng nhận thấy rằng cô ấy là không trọng lượng. Điều này có thể là do cô ấy và phòng thí nghiệm ở xa bất kỳ nguồn trọng lực nào, và cả hai đều đang ở trạng thái đứng yên hoặc chuyển động với một tốc độ ổn định nào đó trong không gian (trong trường hợp này, cô ấy có nhiều thời gian để ngủ nướng trước khi thức dậy). Nhưng nó cũng có thể là do cô ấy và phòng thí nghiệm đang rơi tự do về phía một hành tinh như Trái Đất (trong trường hợp đó, trước tiên cô ấy có thể sẽ muốn kiểm tra khoảng cách của mình với bề mặt bên dưới trước khi có thể yên tâm pha cà phê sáng).

Điều mà Einstein đưa ra là không có thí nghiệm nào mà cô ấy có thể thực hiện bên trong phòng thí nghiệm kín để xác định xem cô ấy đang lơ lửng trong không gian hay rơi tự do trong một trường hấp dẫn. Nói một cách chính xác, điều này chỉ đúng nếu phòng thí nghiệm có quy mô vô cùng nhỏ. Tất cả các vị trí khác nhau trong phòng thí nghiệm thực đang rơi tự do do trọng lực không thể ở những khoảng cách giống hệt nhau từ (các) vật thể tạo ra lực hấp dẫn. Trong trường hợp này, các đối tượng ở các vị trí khác nhau sẽ trải qua các gia tốc hơi khác nhau. Nhưng điểm này không làm mất hiệu lực của nguyên lý tương đương mà Einstein đã rút ra từ dòng suy nghĩ này. Theo cô ấy, hai tình huống là hoàn toàn tương đương. Ý tưởng cho rằng sự rơi tự do là không thể phân biệt được, và do đó là tương đương với không trọng lực, được gọi là nguyên lý tương đương.

Trọng lực hay Gia tốc?

Ý tưởng đơn giản của Einstein có những hậu quả lớn. Hãy bắt đầu bằng cách xem xét điều gì sẽ xảy ra nếu hai kẻ ngu ngốc nhảy từ hai bờ đối diện vào một vực sâu không đáy (Hình 24.4). Nếu chúng ta bỏ qua ma sát không khí, thì chúng ta có thể nói rằng trong khi họ rơi tự do, họ đều tăng tốc đi xuống với cùng tốc độ và không cảm thấy có ngoại lực nào tác dụng lên mình. Họ có thể ném một quả bóng qua lại, luôn nhắm thẳng vào nhau, như thể không có trọng lực. Quả bóng rơi cùng tốc độ với tốc độ của họ, vì vậy nó luôn nằm trên một đường thẳng giữa hai người.

Hình 24.4 Rơi tự do. Hai người chơi trò đuổi bắt khi họ rơi xuống vực sâu không đáy. Vì người và bóng đều rơi với tốc độ như nhau, nên đối với họ, họ có thể chơi trò bắt bóng bằng cách ném bóng theo đường thẳng giữa họ. Trong hệ quy chiếu của họ dường như không có lực hấp dẫn.

Trò chơi đuổi bắt như vậy rất khác trên bề mặt Trái Đất. Tất cả những ai lớn lên với cảm giác trọng lực đều biết rằng một quả bóng, một khi được ném, sẽ rơi xuống đất. Do đó, để chơi bắt bóng với ai đó, bạn phải hướng quả bóng lên trên sao cho nó đi theo một vòng cung - tung lên rồi hạ xuống khi nó di chuyển về phía trước - cho đến khi nó bị bắt ở đầu kia.

Bây giờ, giả sử chúng ta cô lập người đang rơi và quả bóng bên trong một chiếc hộp lớn đang rơi cùng với họ. Không ai bên trong chiếc hộp nhận biết được bất kỳ lực hấp dẫn nào. Nếu họ buông quả bóng, nó sẽ không rơi xuống đáy hộp hay bất cứ nơi nào khác mà chỉ nằm yên ở đó hoặc di chuyển theo đường thẳng, tùy thuộc vào việc nó có chuyển động hay không.

Các phi hành gia trong Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) quay quanh Trái Đất sống trong một môi trường giống như môi trường của con người bị bịt kín trong một chiếc hộp rơi tự do (Hình 24.5). ISS quay quanh quỹ đạo thực sự đang "rơi" tự do quanh Trái Đất. Trong khi rơi tự do, các phi hành gia sống trong một thế giới kỳ lạ, nơi dường như không có lực hấp dẫn. Người ta có thể cho cờ lê một cái đẩy nhẹ và nó di chuyển với tốc độ không đổi trong phòng thí nghiệm quỹ đạo này. Một chiếc bút chì đặt giữa không trung vẫn ở đó như thể không có lực nào tác động lên nó.

Hình 24.5 Các phi hành gia trên Tàu con thoi. Shane Kimbrough và Sandra Magnus xuất hiện trên tàu Endeavour vào năm 2008 với nhiều loại trái cây khác nhau đang trôi tự do. Bởi vì tàu con thoi rơi tự do khi nó quay quanh Trái Đất, mọi thứ - kể cả các phi hành gia - vẫn di chuyển đồng nhất với các bức tường của tàu vũ trụ. Trạng thái rơi tự do này tạo ra sự thiếu hấp dẫn rõ ràng bên trong tàu vũ trụ. (tín dụng: NASA)

LIÊN KẾT ĐỂ HỌC

Trong môi trường "không trọng lượng" của Trạm Vũ trụ Quốc tế, việc di chuyển tốn rất ít công sức. Hãy xem phi hành gia Karen Nyberg chứng minh cách cô ấy có thể tự đẩy mình bằng lực của một sợi tóc người. 

Tuy nhiên, sự biểu hiện đó là một sự hiểu lầm. Có một lực trong tình huống này. Cả ISS và các phi hành gia đều liên tục rơi quanh Trái Đất, do lực hấp dẫn của hành tinh. Nhưng vì tất cả cùng rơi xuống cùng nhau - tàu con thoi, phi hành gia, cờ lê và bút chì - bên trong ISS, nên tất cả các lực hấp dẫn dường như bị vắng mặt.

Do đó, ISS quay quanh quỹ đạo cung cấp một ví dụ tuyệt vời về nguyên lý tương đương — cách các tác động cục bộ của trọng lực có thể được bù đắp hoàn toàn bằng gia tốc phù hợp. Đối với các phi hành gia, việc rơi xung quanh Trái Đất tạo ra những hiệu ứng giống như ở xa trong không gian, xa rời mọi ảnh hưởng của trọng trường.

Con đường của ánh sáng và vật chất

Einstein mặc nhiên công nhận rằng nguyên lý tương đương là một sự thật cơ bản của tự nhiên, và không có thí nghiệm nào bên trong bất kỳ tàu vũ trụ nào mà qua đó phi hành gia có thể phân biệt được giữa không trọng lượng trong không gian xa xôi, và rơi tự do gần một hành tinh như Trái Đất. Điều này cũng sẽ áp dụng cho các thí nghiệm được thực hiện với các chùm ánh sáng. Nhưng ngay khi chúng ta sử dụng ánh sáng trong các thí nghiệm của mình, chúng ta đã dẫn đến một số kết luận rất đáng lo ngại - và chính những kết luận này đã dẫn chúng ta đến lý thuyết tương đối tổng quát và một quan điểm mới về lực hấp dẫn.

Đối với chúng ta, từ những quan sát hàng ngày, dường như rõ ràng là các chùm ánh sáng truyền theo đường thẳng. Hãy tưởng tượng rằng một con tàu vũ trụ đang di chuyển trong không gian trống rỗng ở xa bất kỳ trọng lực nào. Gửi một chùm tia laze từ phía sau con tàu ra phía trước, và nó sẽ đi theo một đường thẳng đẹp và đáp xuống bức tường phía trước đối diện chính xác với điểm mà nó rời khỏi từ bức tường phía sau. Nếu nguyên lý tương đương thực sự được áp dụng phổ biến, thì thí nghiệm tương tự này được thực hiện trong quá trình rơi tự do quanh Trái đất sẽ cho chúng ta kết quả tương tự.

Bây giờ hãy tưởng tượng rằng các phi hành gia lại chiếu một chùm ánh sáng dọc theo chiều dài con tàu của họ. Tuy nhiên, như trong Hình 24.6, lần này trạm vũ trụ quay quanh quỹ đạo rơi xuống một chút giữa thời gian ánh sáng rời khỏi bức tường sau và thời điểm nó chạm vào bức tường trước. (Lượng rơi được phóng đại quá mức trong Hình 24.6 để minh họa hiệu ứng.) Do đó, nếu chùm ánh sáng đi theo một đường thẳng nhưng đường đi của con tàu cong xuống dưới, thì ánh sáng sẽ chiếu vào bức tường phía trước tại một điểm cao hơn điểm mà nó rời đi.

Hình 24.6 Đường đi ánh sáng uốn cong. Trong một con tàu vũ trụ đang di chuyển sang trái (trong hình này) trong quỹ đạo của nó xung quanh một hành tinh, ánh sáng được chiếu từ phía sau, A, về phía trước, B. Trong khi đó, con tàu đang rơi ra khỏi đường đi thẳng của nó (được phóng đại ở đây). Do đó, chúng ta có thể mong đợi ánh sáng chiếu tới B', phía trên mục tiêu trong tàu. Thay vào đó, ánh sáng đi theo một đường cong và chiếu tới C. Để giữ cho nguyên lý tương đương là đúng, lực hấp dẫn phải có khả năng làm cong đường đi của chùm sáng giống như nó làm cong đường đi của tàu vũ trụ.

Tuy nhiên, điều này sẽ vi phạm nguyên lý tương đương — hai thí nghiệm sẽ cho kết quả khác nhau. Do đó, chúng tôi phải đối mặt với việc từ bỏ một trong hai giả định của mình. Nguyên tắc tương đương không đúng, hoặc ánh sáng không phải lúc nào cũng truyền theo đường thẳng. Thay vì loại bỏ những gì có lẽ vào thời điểm đó giống như một ý tưởng vô lý, Einstein đã tìm ra điều gì sẽ xảy ra nếu đôi khi ánh sáng không đi theo một đường thẳng.

Giả sử nguyên tắc tương đương là đúng. Khi đó chùm sáng phải đến đối diện trực tiếp với điểm mà nó bắt đầu trong tàu. Ánh sáng, giống như quả bóng ném qua lại, phải rơi cùng với con tàu đang quay quanh Trái Đất (xem Hình 24.6). Điều này sẽ làm cho đường đi của nó cong xuống, giống như đường đi của quả bóng, và do đó ánh sáng sẽ chiếu vào bức tường phía trước đối diện chính xác với điểm mà nó đến.

Suy nghĩ kỹ về điều này, bạn có thể kết luận rằng nó có vẻ không phải là một vấn đề lớn như vậy: tại sao ánh sáng không thể rơi theo cách các quả bóng làm? Nhưng, như đã thảo luận trong Bức xạ và Quang phổ, ánh sáng khác biệt rất nhiều so với các quả bóng. Quả bóng có khối lượng, còn ánh sáng thì không.

Đây là nơi mà trực giác và thiên tài của Einstein đã cho phép ông tạo ra một bước nhảy vọt. Ông đã đưa ra ý nghĩa vật lý cho kết quả kỳ lạ của thí nghiệm trong suy nghĩ của chúng tôi. Einstein cho rằng ánh sáng cong xuống để gặp mặt trước của tàu con thoi bởi vì lực hấp dẫn của Trái Đất thực sự bẻ cong cấu trúc của không gian và thời gian. Ý tưởng cấp tiến này - mà chúng ta sẽ giải thích tiếp theo - giữ cho hành vi của ánh sáng giống nhau trong cả không gian trống và rơi tự do, nhưng nó làm thay đổi một số ý tưởng cơ bản và ấp ủ nhất của chúng ta về không gian và thời gian. Lý do mà chúng tôi coi trọng đề xuất của Einstein là, như chúng ta sẽ thấy, các thí nghiệm ngày nay cho thấy rõ ràng bước nhảy vọt về trực giác của ông là đúng đắn.

(Còn tiếp...)

Tham khảo

  1. Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy