Thuyết tương đối rộng: Các lỗ đen

Pedro Ferreira

Không bao lâu sau khi Einstein đề xuất lí thuyết tương đối rộng của ông, một nhà vật lí người Đức tên là Karl Schwarzschild đã tìm ra một trong những nghiệm đầu tiên và quan trọng nhất của các phương trình trường Einstein. Ngày nay được gọi là nghiệm Schwarzschild, nó mô tả hình dạng của không-thời gian xung quanh các ngôi sao cực kì đặc – và nó có một số đặc điểm rất kì lạ.

>> Phần 5 - Thuyết tương đối rộng: Vũ trụ giãn nở

Trước tiên, ở ngay tại tâm của những vật thể như vậy, độ cong của không-thời gian trở nên vô hạn – tạo ra một đặc điểm gọi là một kì dị. Một đặc điểm còn lạ hơn nữa là một mặt cầu không nhìn thấy, gọi là chân trời sự cố, bao xung quanh điểm kì dị đó. Không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra khỏi chân trời sự cố. Bạn hầu như có thể nghĩ điểm kì dị Schwarzschild là một cái lỗ trong cấu trúc của không-thời gian.

alt

Đài thiên văn tia X Chandra đã xác nhận các ý tưởng dựa trên nền thuyết tương đối của chúng ta về vũ trụ. (Ảnh: Trung tâm Đài thiên văn tia X Chadra)

Vào những năm 1960, nhà toán học người New Zealand Roy Kerr đã phát hiện ra một họ nghiệm tổng quát hơn cho các phương trình trường Einstein. Những nghiệm này mô tả những vật thể đang quay tròn, và chúng còn kì lạ hơn cả nghiệm Schwarzschild.

Các vật thể mà các nghiệm Schwarzschild và Kerr mô tả được gọi là các lỗ đen. Mặc dù không có lỗ đen nào từng được trông thấy trực tiếp, nhưng có bằng chứng không thể chối cãi rằng chúng tồn tại. Chúng thường được phát hiện ra qua tác dụng mà chúng để lại trên các vật thể thiên văn lân cận như các ngôi sao hay chất khí.

Những lỗ đen nhỏ nhất có thể được tìm thấy xuất hiện cùng với các ngôi sao bình thường. Khi ngôi sao quay xung quanh lỗ đen, nó từ từ bị hút lấy một phần vật chất và phát ra tia X. Lỗ đen đầu tiên như vậy được quan sát thấy là Sygnus X-1, và hiện nay có một số cặp đôi tia X đã được xác định rõ ràng với các lỗ đen chừng bằng 10 lần khối lượng mặt trời.

Bằng chứng cho những lỗ đen lớn hơn nhiều xuất hiện trong thập niên 1960 khi một số vật thể rất sáng và xa xôi đã được quan sát thấy trên bầu trời. Gọi là các quasar, chúng phát sinh từ các lỗ đen bị phá hủy có vẻ sinh ra tại lõi của các thiên hà. Chất khí ở chính giữa của một thiên hà hình thành nên một đĩa xoáy tít khi nó bị hút vào trong lỗ đen. Sức mạnh của lực hút của lỗ đen làm xoáy tít chất khí làm phát ra những lượng năng lượng khổng lồ có thể nhìn thấy ở cách xa nhiều tỉ năm ánh sáng. Các ước tính hiện nay đặt những lỗ đen này nằm trong khoảng giữa một triệu và một tỉ lần khối lượng của mặt trời. Kết quả là chúng được gọi là các lỗ đen siêu khối lượng.

Bằng chứng hiện nay ủng hộ cho việc có một lỗ đen siêu khối lượng nằm tại tâm của mỗi thiên hà, trong đó có thiên hà của chúng ta. Thật vậy, các quan sát quỹ đạo của các sao nằm gần tâm của Dải Ngân hà cho thấy chúng đang chuyển động trong những quỹ đạo ngày càng thu hẹp lại. Những quỹ đạo này có thể hiểu được nếu không-thời gian mà chúng tồn tại trong đó bị bóp méo đáng kể bởi sự có mặt của một lỗ đen siêu khối lượng gấp hơn 4 triệu lần khối lượng của mặt trời.

Bất chấp tên gọi của chúng, nhà vật lí người Anh Stephen Hawking đã chỉ ra rằng các lỗ đen có lẽ không hoàn toàn đen. Ông cho rằng, ở gần chân trời sự cố, sự sản sinh lượng tử của các hạt và phản hạt có thể dẫn tới một sự phát sáng rất yếu. Lóe sáng này, trở nên nổi tiếng là bức xạ Hawking, cho đến nay chưa được phát hiện ra vì nó quá mờ nhạt. Nhưng, theo năm tháng, bức xạ Hawking sẽ đủ để lấy hết năng lượng và khối lượng ra khỏi một lỗ đen, làm cho toàn bộ các lỗ đen cuối cùng bị bốc hơi và biến mất.

Còn tiếp...