9 sự thật về lỗ đen có thể bạn chưa biết

Thử hỏi trong vũ trụ còn thứ gì kì lạ hơn các lỗ đen? Những con quái vật hấp dẫn, lạ lùng này không những làm bẻ cong không gian và thời gian; mà chỉ việc nghĩ về chúng thôi đã làm mở mang và “bẻ cong” trí tưởng tượng của chúng ta. Và cùng với những phẩm chất khó tin của chúng mà bạn từng nghe nói tới – khối lượng phi thường của chúng, kích cỡ nhỏ kinh khủng của chúng – các lỗ đen còn có hàng tấn đặc tính quái dị hơn mà ít người biết tới. Chúng ta hãy điểm qua một số đặc tính nổi cộm nhất và các khả năng lí thuyết đối với những con quái thú vũ trụ này.

1. Lỗ đen có tóc

Hồi thập niên 1960, nhà vật lí John Wheeler đề xuất rằng các lỗ đen “không có tóc”, ý nói rằng mỗi vật thể vũ trụ nhất định chỉ có thể phân biệt với anh em đồng ngũ của nó bằng spin, moment động lượng và khối lượng của nó. Bất kì thông tin phân biệt được nào khác về một lỗ đen được xem là “tóc”, và được cho là biến mất phía sau chân trời sự kiện không thể chọc thủng của mỗi lỗ đen. Chân trời sự kiện là ranh giới xung quanh lỗ đen mà vượt qua đó thì không có thứ gì, bao gồm cả ánh sáng, có thể thoát ra.

Mãi đến năm 2016, khi nhà vật lí danh tiếng Stephen Hawking đề xuất rằng các lỗ đen thật sự tạo ra một kiểu tóc bù xù gồm những hạt ma quỷ, năng lượng zero, và chính quả đầu rối rắm này chứa đựng thông tin về vật chất mà lỗ đen đã ăn vào. Giả thuyết này vẫn chưa được chứng minh, song nó có thể giúp giải thích một nghịch lí dai dẳng về cái xảy ra với chất khí và bụi rơi vào cái miệng háu đói của mỗi lỗ đen.

2. Lỗ đen tạo ra “đài phun nước”

Người ta cho rằng không thứ gì có thể thoát khỏi sức hút hấp dẫn mãnh liệt của một lỗ đen. Thế nhưng điều đó chỉ đúng cho vật chất đi quá gần rìa của lỗ đen. Trên thực tế, nhiều lỗ đen được bao quanh bởi những dòng chất khí và bụi, chúng vây tròn xung quanh lỗ đen, giống như nước chảy xuống một lỗ tháo nước. Sự ma sát trong vật chất này sinh ra nhiệt, tạo ra những cấu trúc khuấy tung, giống như bão trong chất khí và bụi đó. Những quan sát mới đây đề xuất rằng chuyển động này còn tạo ra các vành cung bao xung quanh các cột vật chất phía trong, bắn thẳng vào không gian, giống hệt như các đài phun nước.

3. Lỗ đen có thể bốc hơi

Cơ học lượng tử đem lại một cách khác cho các hạt thoát ra khỏi lỗ đen. Theo thuyết lượng tư, các cặp hạt hạ nguyên tử liên tục thoắt ẩn thoắt hiện xung quanh chân trời sự kiện của mỗi lỗ đen. Thi thoảng, cấu hình được canh thẳng vừa đúng để làm cho một trong hai hạt rơi vào trong lỗ đen. Đối hạt y chang của hạt đó sẽ bị tống vọt ra xa ở tốc độ cực cao, cướp đi của lỗ đen một chút năng lượng bé xíu. Quá trình này tạo ra cái gọi là bức xạ Hawking, gọi theo tên Stephen Hawking, người đã khám phá ra hiện tượng. Do năng lượng tương đương với khối lượng, nên thật ra quá trình này có thể làm cho lỗ đen co lại và cuối cùng bốc hơi hết trong những khoảng thời gian dài.

4. Lỗ đen có thể được bao quanh bởi một tường lửa

Một trong những vướng mắc với bức xạ Hawking là nó đưa đến những câu hỏi hóc búa cho các nhà vật lí. Các hạt hạ nguyên tử sinh ra bởi bức xạ này bị liên đới, nghĩa là cái xảy ra với hạt này lập tức được “cảm thấy” bởi hạt kia. Vậy thì hạt không rơi vào trong lỗ đen “cảm thấy” gì khi đối hạt của nó bị nén vào một điểm mật độ vô hạn? Chẳng ai biết cả. Có một lí thuyết cho rằng lỗ đen làm cắt đứt sự liên đới của hai hạt, một kết cục – theo các định luật của cơ học lượng tử – sẽ tạo ra một lượng năng lượng khủng khiếp. Thành ra điều này sẽ có nghĩa là tất cả các lỗ đen được bao quanh bởi những bức tường lửa điên cuồng.

5. Lỗ đen có thể làm lộ thông tin, hoặc không

Thật khó mà dung hòa khối lượng bị nén của lỗ đen với các định luật của cơ học lượng tử. Theo cơ học lượng tử thì thông tin về các hạt không bao giờ có thể bị phá hủy. Thế nhưng vật chất trượt chân quá rìa của lỗ đen sẽ mãi mãi biến mất đối với vũ trụ. Vấn đề nan giải này được gọi là nghịch lí thông tin lỗ đen; cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa tìm ra hướng giải đáp. Nghiên cứu trong thời gian gần đây đề xuất rằng thông tin bị nuốt vào bên trong lỗ đen có thể chạy thoát ra ngoài thông qua các đối hạt trong bức xạ Hawking; tuy nhiên, cho đến nay nghịch lí này vẫn chưa có lời giải đáp dứt khoát nào.

6. Lỗ đen có thể là vật chất tối

Không bao lâu sau Big Bang (Vụ Nổ Lớn), vũ trụ phải sản sinh rất nhiều lỗ đen tí hon. Bởi đây sẽ là những vật thể khối lượng lớn không giải phóng ánh sáng, nên một số nhà vật lí phỏng đoán rằng các lỗ đen nguyên thủy này có thể giải thích cho vật chất tối, chất liệu bí ẩn chiếm phần lớn trong vật chất làm nên vũ trụ. Thế nhưng ý tưởng ấy gây tranh cãi, biết rằng dữ liệu thu từ Đài thiên văn Sóng Hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) đã bác bỏ một vũ trụ chứa nhung nhúc những lỗ đen mini. Có lẽ các lỗ đen kích cỡ trung bình vẫn đang ẩn náu ở ngoài kia, mặc dù các quan sát đề xuất rằng chúng chỉ chiếm, tối đa, 1% đến 10% vật chất tối.

7. Trong mỗi lỗ đen, vật chất có thể du hành vào tương lai

Các lỗ đen rơi vào bài toán vô hạn – khối lượng của mỗi lỗ đen bị nén vào một điểm mật độ vô hạn có kích thước vô cùng nhỏ. Điều này không có ý nghĩa gì về mặt vật lí, thế nên các nhà nghiên cứu đã cất công tìm kiếm những khuôn khổ khác để xử lí các lỗ đen. Một đề xuất được gọi là lực hấp dẫn lượng tử vòng, nó cho rằng kết cấu của không-thời gian bị bẻ cong rất mạnh ở gần tâm của lỗ đen. Điều này sẽ khiến một phần lỗ đen trải rộng vào tương lai, nghĩa là vật chất bị nuốt vào lỗ đen sẽ du hành về tương lai. Cho đến nay, ý tưởng mở mang đầu óc này vẫn chỉ là lí thuyết.

8. Các nhà khoa học có thể đã tìm thấy các lỗ đen từ một vũ trụ khác

Một quan sát gây nhiều tranh cãi đề xuất rằng vũ trụ của chúng ta là một kẻ đến sau. Các vũ trụ xa xưa hơn có lẽ đã tồn tại trước vũ trụ của chúng ta, và chúng có chứa các lỗ đen. Nhà vật lí toán danh giá của trường Đại học Oxford, Roger Penrose cho rằng bức xạ nền vũ trụ - một tàn dư năng lượng từ thời Big Bang – có chứa vết tích của những lỗ đen này từ trước thời gian zero. Các nhà khoa học khác thì cho rằng dữ liệu của Penrose chẳng gì hơn là sự nhiễu ngẫu nhiên, thế nhưng khả năng ấy vẫn cứ trêu ngươi.

9. Chúng ta đã có hình ảnh của lỗ đen

Hôm 10 tháng Tư vừa qua, các nhà vật lí đã công bố hình ảnh đầu tiên của một lỗ đen. Siêu lỗ đen này ẩn náu tại tâm của thiên hà Messier 87, và được đặt tên là M87*. Hình ảnh của nó được lập bởi Kính thiên văn Chân trời Sự kiện, một hệ thống gồm nhiều kính thiên văn vô tuyến rải rác trên toàn cầu. Thế nhưng thật ra đây chỉ là hình ảnh “cái bóng” của lỗ đen mà thôi. Thông tin thêm về thành tựu này, bạn có thể tham khảo tại đây.

Nguồn: LiveScience

Bài trước | Bài kế tiếp