Lỗ đen

Hãy tưởng tượng, đâu đó trong thiên hà, xác của một ngôi sao đậm đặc đến mức nó chọc chủng kết cấu của không gian và thời gian. Đậm đặc đến mức nó nhai ngấu nghiến vật chất xung quanh tiến tới quá gần, hút chúng vào cơn cuồng nộ của lực hấp dẫn mà chẳng có gì, thậm chí ánh sáng, có thể thoát ra ngoài.

Ảnh minh họa: Sandbox Studio

Và một khi vật chất băng qua điểm không thể quay đầu, tức chân trời sự kiện, nó chuyển động xoắn ốc một cách bất lực về phía một điểm nhỏ gần như vô hạn, một điểm tại đó không-thời gian uốn cong đến mức tất cả các lí thuyết của chúng ta sụp đổ: điểm kì dị. Chẳng gì còn sống mà thoát ra ngoài.

Các lỗ đen nghe quá xa lạ để tin là có thật. Nhưng thật ra chúng khá phổ biến trong không gian. Có hàng tá lỗ đen đã biết và có khả năng hàng triệu lỗ đen nữa trong Dải Ngân hà và hàng tỉ lỗ đen đang ẩn náu ngoài kia. Các nhà khoa học còn tin rằng có thể có một siêu lỗ đen tại tâm của hầu như mỗi thiên hà, kể cả thiên hà của chúng ta. Sự ra đời và động lực học của những trận cuồng phong quái dị này của không-thời gian đã khiến các nhà khoa học cảm thấy bối rối trong hàng thế kỉ qua.

Ảnh minh họa: Sandbox Studio

Lịch sử của lỗ đen

Mọi chuyện bắt đầu ở nước Anh vào năm 1665, khi một quả táo từ trên cành cây rơi xuống đất. Quan sát từ khu vườn của ông tại Woolsthorpe Manor, Isaac Newton bắt đầu nghĩ về chuyển động rơi của quả táo: một hướng tư duy mà hai thập niên sau đó kết thúc với kết luận của ông rằng phải có một loại lực vạn vật nào đó chi phối chuyển động của quả táo và đạn đại bác và cả các thiên thể. Ông gọi nó là lực hấp dẫn.

Newton nhận ra rằng mọi vật có khối lượng đều sẽ có lực hút hấp dẫn. Ông tìm thấy khi khối lượng tăng thì lực hấp dẫn tăng. Để thoát khỏi lực hấp dẫn của một vật, bạn sẽ cần đạt tới vận tốc thoát của nó. Để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất, bạn sẽ cần chuyển động ở tốc độ chừng 11 km/s.

Chính nhờ khám phá các định luật hấp dẫn và chuyển động của Newton mà 100 năm sau, Reverend John Michell, một nhà bác học người Anh, đi tới kết luận rằng nếu có một ngôi sao khối lượng lớn hơn nhiều hoặc kích cỡ nhỏ hơn nhiều so với mặt trời, thì vận tốc thoát của nó có thể vượt quá tốc độ ánh sáng. Ông gọi những vật thể này là “sao tối”. Mười hai năm sau, nhà khoa học và toán học người Pháp Pierre Simon de Laplace đi tới kết luận tương tự và đưa ra bằng chứng toán học cho sự tồn tại của cái ngày nay chúng ta gọi là lỗ đen.

Năm 1915, Albert Einstein công bố lí thuyết tương đối tổng quát xem không gian và thời gian là một vật thể bốn chiều bị cong. Thay vì xem lực hấp dẫn là một lực, Einstein xem nó là sự uốn cong của bản thân không gian và thời gian. Một vật thể khối lượng lớn, ví dụ như mặt trời, sẽ tạo ra một vết lõm trong không thời gian, một cái giếng hấp dẫn, làm cho mọi vật xung quanh, ví dụ như các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta, đi theo một quỹ đạo cong xung quanh nó.

Một tháng sau khi Einstein công bố lí thuyết này, nhà vật lí người Đức Karl Schwarzschild tìm thấy cái thú vị trong các phương trình của Einstein. Schwarzschild tìm thấy một nghiệm đưa các nhà khoa học đến kết luận rằng một vùng không gian có thể bị uốn cong đến mức nó tạo ra một cái giếng hấp dẫn mà chẳng vật nào có thể thoát ra ngoài.

Mãi đến năm 1967 thì những vùng bí ẩn này của không thời gian mới có được một tên gọi thống nhất. Các nhà khoa học đã lóng ngóng với các tên gọi như “sao sụp” hay “sao đóng băng” khi nói về các biểu đồ của lực hấp dẫn không thể thoát ra. Tại một hội nghị ở New York, nhà vật lí John Wheeler đã trình làng tên gọi “lỗ đen”.

Ảnh minh họa: Sandbox Studio

Cách tìm kiếm lỗ đen

Trong sự hình thành sao, lực hấp dẫn làm nén vật chất cho đến khi nó bị dừng lại bởi áp suất nội của ngôi sao. Nếu áp suất nội không làm dừng quá trình nén, thì nó có thể đem lại sự ra đời của một lỗ đen.

Một số lỗ đen được hình thành khi các ngôi sao khối lượng lớn suy sụp. Những lỗ đen khác, theo các nhà khoa học, được hình thành rất sớm trong vũ trụ, khoảng một tỉ năm sau Vụ nổ Lớn.

Không có giới hạn nào về mức đồ sộ của một lỗ đen, thỉnh thoảng nó lớn gấp hàng tỉ lần khối lượng mặt trời. Theo thuyết tương đối tổng quát, không có giới hạn nào cho mức nhỏ bé của các lỗ đen (mặc dù cơ học lượng tử đề xuất cái ngược lại). Các lỗ đen tăng trưởng khối lượng khi chúng tiếp tục nuốt lấy vật chất xung quanh chúng. Các lỗ đen nhỏ bồi tụ vật chất từ một ngôi sao đồng hành còn các lỗ đen lớn thì thâu tóm bất kì vật chất nào tiến tới quá gần.

Các lỗ đen có chứa một chân trời sự kiện, vượt qua đó thì cả ánh sáng cũng không thể thoát ra. Bởi vì chẳng có ánh sáng lọt ra ngoài, nên ta không thể nhìn thấy vượt quá bề mặt này của một lỗ đen. Nhưng chỉ vì bạn không thể nhìn thấy lỗ đen, điều đó không có nghĩa là bạn chẳng thể phát hiện ra chúng.

Các nhà khoa học có thể phát hiện ra lỗ đen bằng cách nhìn vào chuyển động của các sao và chất khí lân cận cũng như vật chất bồi tụ từ vùng xung quanh của nó. Vật chất này chuyển động xoắn ốc xung quanh lỗ đen, tạo ra một cái đĩa phẳng gọi là đĩa bồi tụ. Vật chất xoáy tít mất dần năng lượng và giải phóng bức xạ ở dạng tia X và các bức xạ điện từ khác trước khi cuối cùng thì vượt qua chân trời sự kiện.

Đây là cách mà các nhà thiên văn học đã nhận ra Cygnus X-1 hồi năm 1971. Cygnus X-1 được tìm thấy là một bộ phận của một hệ sao đôi trong đó một ngôi sao cực nóng và sáng gọi là sao siêu kềnh xanh đã tạo ra một đĩa bồi tụ xung quanh một vật thể không nhìn thấy. Hệ sao đôi ấy phát ra tia X, bức xạ không thường được tạo ra bởi các sao siêu kềnh xanh. Bằng cách tính toán ngôi sao có thể nhìn thấy đang chuyển động bao nhanh và ở bao xa, các nhà thiên văn học đã có thể tính ra khối lượng của vật thể không nhìn thấy. Mặc dù nó bị nén vào một thể tích nhỏ hơn Trái đất, nhưng khối lượng của vật thể ấy gấp sáu lần mặt trời của chúng ta.

Có một số thí nghiệm khác nhau nghiên cứu các lỗ đen. Kính thiên văn Chân trời Sự kiện sẽ khảo sát các lỗ đen tại tâm của thiên hà của chúng ta và một thiên hà láng giềng, M87. Độ phân giải của nó đủ cao để chụp ảnh chất khí phát sáng xung quanh chân trời sự kiện.

Các nhà khoa học còn tiến hành lập bản đồ tiếng vọng, sử dụng kính thiên văn tia X để tìm kiếm các chênh lệch thời gian giữa các bức xạ đến từ những nơi khác nhau ở gần lỗ đen, nhằm tìm hiểu quỹ đạo của chất khí và các photon xung quanh lỗ đen.

Đài thiên văn Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser, hay LIGO, tìm cách nhận dạng sự hợp nhất của hai lỗ đen, sự kiện sẽ phát ra bức xạ hấp dẫn, hay sóng hấp dẫn, khi hai lỗ đen hợp nhất.

Ngoài các đĩa bồi tụ, lỗ đen còn có gió và các vòi vật chất cực kì sáng phát ra từ chúng dọc theo trục quay của chúng, bắn vọt vật chất và bức xạ ở gần tốc độ ánh sáng. Các nhà khoa học vẫn đang tìm cách hiểu sự hình thành những vòi vật chất này.

Ảnh minh họa: Sandbox Studio

Cái chúng ta không biết

Các nhà khoa học còn biết rằng các lỗ đen thật ra không đen lắm như người ta từng nghĩ. Một số thông tin có thể thoát ra khỏi chúng. Năm 1974, Stephen Hawking cho công bố các kết quả chứng minh rằng các lỗ đen phải phát xạ năng lượng, hay phát bức xạ Hawking.

Các cặp vật chất-phản vật chất liên tục được tạo ra trong khắp vũ trụ, kể cả ở bên ngoài chân trời sự kiện của một lỗ đen. Thuyết lượng tử tiên đoán rằng một hạt có thể bị hút vào trước khi cặp hạt có cơ hội hủy nhau, và hạt kia có thể thoát ra ở dạng bức xạ Hawking. Điều này mâu thuẫn với bức tranh thuyết tương đối tổng quát vẽ nên rằng lỗ đen là cái chẳng gì có thể thoát ra được.

Nhưng khi một lỗ đen phát bức xạ Hawking, nó từ từ bốc hơi cho đến cuối cùng thì nó biến mất. Vậy chuyện gì xảy ra với toàn bộ thông tin đã mã hóa trên chân trời của nó? Thông tin có thật sự biến mất không, vì như thế sẽ vi phạm cơ học lượng tử? Hay nó được bảo toàn, như cơ học lượng tử dự đoán? Một lí thuyết cho rằng bức xạ Hawking chứa toàn bộ thông tin đó. Khi lỗ đen bốc hơi và biến mất, nó bảo toàn thông tin của mọi thứ đã rơi vào trong nó, phát xạ thông tin đó vào vũ trụ.

Lỗ đen đem lại cho các nhà khoa học cơ hội kiểm tra thuyết tương đối tổng quát trong những trường hấp dẫn cực mạnh. Họ xem lỗ đen là một cơ hội để trả lời một trong những câu hỏi lớn nhất trong lí thuyết vật lí hạt sơ cấp: Tại sao chúng ta không thể dung hòa cơ học lượng tử với thuyết tương đối tổng quát?

Vượt quá chân trời sự kiện, các lỗ đen uốn cong thành một trong những bí ẩn tăm tối nhất trong vật lí học. Các nhà khoa học không thể giải thích cái xảy ra khi các vật băng qua chân trời sự kiện và chính xác xoắn ốc về phía điểm kì dị. Thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử xung đột và các phương trình Einstein phát sinh các vô hạn. Các lỗ đen thậm chí có thể tiềm chứa những cánh cổng mở sang những vũ trụ khác mà người ta gọi là lỗ sâu đục và những dòng năng lượng và vật chất tuôn dữ dội gọi là lỗ trắng, mặc dù rất không có khả năng vũ trụ cho phép tồn tại những cấu trúc này.

Đôi khi thực tại còn kì lạ hơn cả truyện viễn tưởng.

Nguồn: Symmetry Magazine

Bài trước | Bài kế tiếp