Những lỗ đen quay tròn
Cho đến đây, tôi đã tự hạn chế chỉ rình bày loại lỗ đen đơn giản nhất: lỗ đen được mô tả bởi nghiệm Schwarzschild của các phương trình trường Einstein. Đây thật ra chỉ là một kịch bản lí tưởng hóa. Một lỗ đen thật sự cũng sẽ quay tròn nữa. Chúng ta biết rằng các ngôi sao quay xung quanh trục của chúng giống như Trái đất vậy. Do đó, khi chúng co lại, chúng sẽ còn quay nhanh hơn nữa. Chúng ta hãy xác định sơ nét tại sao lại như vậy.
Một đại lượng quan trọng trong vật lí học gọi là xung lượng góc mà mọi vật đang quay đều có. Lí do nó quan trọng là vì một trong những đại lượng đó, giống như năng lượng, được nói là bảo toàn, nghĩa là nó vẫn giữ nguyên không đổi, biết rằng vật quay không chịu tác dụng của ngoại lực. Xung lượng góc phụ thuộc vào khối lượng của vật, tốc độ quay và hình dạng của nó. Hãy nghĩ tới một người trượt băng đang quay mình với hai cánh tay xòe rộng. Khi cô ta thu hai tay về gần cơ thể và gấp hai tay lại trước ngực, cô ta sẽ quay tròn nhanh hơn. Nguyên nhân là vì xung lượng góc của cô ta phải giữ nguyên không đổi – bỏ qua ma sát giữa giày trượt và băng – và bằng cách thu tay vào, cô ta đã làm thay đổi hình dạng của mình theo hướng làm giảm xung lượng góc nếu như đây là toàn bộ cái xảy ra. Tuy nhiên, cô ta cũng sẽ quay tròn nhanh hơn để bù lại cho việc làm này và giữ xung lượng góc của cô ta như cũ. Sự tăng tốc độ quay như thế này không phải là do cô ta thật sự cố ý; nó xảy ra tự động. Các định luật vật lí thật khôn khéo phải không nào? Một ngôi sao quay tròn đang co lại hành xử theo kiểu tương tự: kích cỡ giảm đi của nó phải được bù lại bởi chuyển động quay nhanh hơn để duy trì xung lượng góc của nó. Đây là nguyên nhân vì sao các pulsar (các sao neutron đang quay tròn chúng ta đã gặp ở Chương 2) lại quay nhanh như thế.
Theo phiên bản lực hấp dẫn của Newton, chúng ta không thể nói được sự khác biệt giữa những hiệu ứng hấp dẫn của một vật thể hình cầu đang quay tròn và một vật thể không quay tròn (miễn là nó không lắc lư xung quanh trục của nó). Ở đây một lần nữa, thuyết tương đối tổng quát thì khác. Một lỗ đen đang quay tròn đúng là kéo theo không gian xung quanh nó, tạo ra một xoáy hấp dẫn, na ná giống như kiểu nước xoay tròn xung quanh một lỗ tháo nước. Trong một vùng không gian như thế, một vật thể quỹ đạo sẽ phải gia tốc theo hướng ngược với chuyển động quay của lỗ đen chỉ để đứng lại! Kết quả kì lạ này mang lại cho chúng ta một phương tiện đo tốc độ mà một lỗ đen đang quay tròn, cùng với khối lượng của nó (từ đó ta có thể suy ra kích cỡ của nó), đó là đại lượng khác duy nhất mà ta có để mô tả tất cả những gì ta có thể nói về một lỗ đen6. Để đo chuyển động quay của một lỗ đen, ta cần đưa hai vệ tinh vào quỹ đạo theo chiều ngược nhau xung quanh nó. Vì vệ tinh quay theo chiều ngược với chiều quay của lỗ đen phải chuyển động “chống lại thủy triều” của không gian đang chuyển động, nên nó sẽ mất thời gian lâu hơn để hoàn thành một vòng quỹ đạo vì nó đi qua không gian dài hơn. Sự chênh lệch chu kì quỹ đạo giữa hai vệ tinh cho chúng ta biết tốc độ quay của lỗ đen.
Vùng không gian bị kéo theo xung quanh một lỗ đen đang quay tròn được gọi là ergosphere. Có nghĩa là một lỗ đen đang quay tròn sẽ có hai chân trời: một mặt cầu, bên trong là chân trời sự kiện ban đầu và từ đó không gì có thể thoát ra, và một mặt bên ngoài, phình ra tại xích đạo đánh dấu bề mặt của ergosphere (hình 4.2). Bên trong ergosphere, sự kéo theo mạnh đến mức không gì có thể đứng lại. Tuy nhiên, một vật thể rơi vào trong ergosphere vẫn có thể thoát ra trở lại, miễn là nó không cư trú bên trong chân trời sự kiện.
Hình 4.2 Ergosphere bao xung quanh chân trời sự kiện của một lỗ đen đang quay tròn
___________
6Chúng ta có thể đo điện tích của một lỗ đen nhưng điện tích này sẽ rất nhỏ và chỉ hấp dẫn trên lí thuyết thôi. Trên thực tế, một lỗ đen tích điện cuối cùng sẽ luôn luôn bị trung hòa bởi việc nuốt vào những hạt có điện tích trái dấu với nó.
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
