Nguyễn Thu Trang
(kitten0303)
Member
LỖ ĐEN- ĐIỀU BÍ ẨN NHẤT CÒN TỒN TẠI TRONG VŨ TRỤ
Nguyễn Đức Phường- Hội Thiên văn –Vũ trụ Việt nam, Phòng Thiên văn, Khoa Vật lý, ĐHSP Hà Nội.
Cho đến ngày nay và có lẽ cả một thời gian dài nữa trong tương lai, lỗ đen và các hành xử của nó luôn là vấn đề làm bận tâm các nhà khoa học. Đã có bao câu chuyện viễn tưởng được con người thêu dệt gắn chặt với một trong những đối tượng bí ẩn nhất của vũ trụ - lỗ đen. Nó làm thay đổi quan niệm thường ngày của chúng ta về không gian và thời gian. Lỗ đen là gì?
Thuyết tương đối của Einstein cung cấp cho chúng ta một cách nhìn mới về không-thời gian. Mối liên hệ hữu cơ và chuyển hoá lẫn nhau giữa không gian và thời gian cũng như vật chất đã làm vũ trụ thống nhất đến lạ kỳ, năng lượng chuyển thành khối lượng và ngược lại. Sự cong của không gian và giãn nở của thời gian ở xung quanh những vật có khối lượng lớn. Đó là những gì mà lỗ đen có thể nói cho chúng ta.
Nếu bạn muốn nhảy cao khỏi mặt đất, bạn cần lấy đà và có một sức bật thật tốt. Một con tàu vũ trụ muốn thoát ra khỏi Trái đất nó buộc phải đạt đến một vận tốc nhất định. Lực hấp dẫn giữa Trái đất, bạn hay con tàu đã cản trở các đối tượng rời xa nhau. Vật có khối lượng càng lớn, sẽ hấp dẫn bạn càng mạnh. Sao Mộc, hành tinh lớn nhất trong Hệ Mặt trời, sẽ hấp dẫn bạn lớn hơn. Trong khi Mặt trăng, một vệ tinh của Trái đất, sẽ hấp dẫn bạn nhỏ hơn và bạn có thể đạt kỷ lục về nhảy cao ở trên Mặt trăng chỉ bằng một cái nhún chân nhẹ. Một thiên thể có khối lượng càng lớn, muốn thoát ra khỏi nó, con tàu vũ trụ càng cần phải đạt được một vận tốc lớn hơn. Vận tốc tối thiểu mà một con tàu vũ trụ cần có để thoát ra khỏi một thiên thể gọi là vận tốc thoát. Liệu có tồn tại thiên thể nào trong vũ trụ có vận tốc thoát lớn hơn cả vận tốc ánh sáng? Có đấy, đó chính là lỗ đen. Thuyết tương đối hẹp của Einstein đã chỉ ra rằng, vận tốc ánh sáng là hữu hạn , không đổi và là vận tốc lớn nhất trong tự nhiên. Không một vật gì có vận tốc nhanh hơn ánh sáng. Nếu đúng là như vậy thì sẽ không có một vật gì thoát ra khỏi lỗ đen, thậm chí cả ánh sáng. Ngay cái tên của nó cũng đủ cho chúng ta thấy điều đó.
Vậy lỗ đen sinh ra từ đâu? Có đến ba loại lỗ đen: lỗ đen mini, lỗ đen sao và lỗ đen thiên hà. Những lỗ đen mini rất nhỏ, nhỏ hơ cả một hạt nhân của nguyên tử hydro chỉ gồm một proton. Loại lỗ đen này được sinh ra từ những thời khắc rất sớm của vũ trụ, khoảng một phần vạn tỷ tỷ tỷ giây đồng hồ đầu tiên sau Big Bang, vì vậy nó còn được gọi là lỗ đen nguyên thuỷ. Những lỗ đen này được sinh ra trong điều kiện mật độ của vũ trụ cực kỳ cao ngay sau Vụ nổ lớn. Những lỗ đen loại này sinh ra và bùng nổ theo một chu kỳ rất ngắn. Thậm chí, gần đây, theo một lý thuyết khá táo bạo, lỗ đen không chỉ được hình thành ở những vùng xa xôi của Vũ trụ, từ sự suy sụp hấp dẫn của các ngôi sao, mà còn có thể được hình thành ngay trên bầu khí quyển của chúng ta. Khi một chùm tia Vũ trụ với năng lượng cực lớn (cỡ vài Tev), đặc biệt là nơtrino, tương tác rất gần với 1 hạt cơ bản trong bầu khí quyển của chúng ta, chúng có thể để lại 1 lỗ đen nhỏ xíu cùng với hiện tượng mưa rào khí quyển thứ cấp, vốn có thể được phát hiện ở Trái Đất. Phòng thí nghiệm Pierre Auger được xây dựng từ năm 2003 nhằm mục đích tìm kiếm các lỗ đen kiểu này. Tuy nhiên, theo Dejan Stojkovic (Đại học Case Western Reserve) và các đồng sự, xác suất phát hiện lỗ đen trên bầu khí quyển là rất nhỏ. Theo tính toán, có thể sẽ chỉ có khoảng vài trăm sự kiện mưa rào khí quyển theo kiểu này được phát hiện trong suốt thời gian 5 năm hoạt động của phòng thí nghiệm Pierre Auger. Mặt khác, theo nhà vật lý thiên tài S.Hawking thì thời gian sống của lỗ đen phụ thuộc vào khối lượng và nhiệt độ của nó. Những lỗ đen mini có thời gian sống cực ngắn và kết thúc bằng một sự bùng nổ.
Loại lỗ đen thứ hai thì khác. Những lỗ đen này được sinh ra từ sự suy sụp hấp dẫn của những ngôi sao có khối lượng lớn. Đối với những ngôi sao có khối lượng lớn gấp 5 lần khối lượng của Mặt trời trở lên, trong giai đoạn hấp hối, lớp khí quyển và vỏ khí bao ngoài bị giãn nở mạnh, phình ra với một tốc độ rất lớn, có thể lên đến hàng trăm, hàng nghìn kilômét trong một giây. Trong khi đó lõi sao lại tiếp tục co vào. Vật chất lõi sao chuyển sang vật chất của sao lùn trắng. Đến khi mật độ và áp suất đủ lớn khiến các electron và proton trong nguyên tử phải phản ứng với nhau để tạo ra nơtron. Lúc này lõi sao mang thành phần vật chất của sao nơtron với mật độ cực lớn. Một hạt vật chất trên sao nơtron nhỏ bằng hạt đậu có thể nặng đến hàng trăm nghìn tấn. Nếu ở Trái đất quan sát những sao này chúng ta thấy độ sáng của chúng tăng lên gấp hàng nghìn, thậm chí hàng vạn lần, và chúng ta gọi đó là những siêu sao mới. Thực ra chẳng có sao mới nào cả, chẳng qua bình thường chúng rất mờ mắt thường không nhận ra được trên bầu trời. Chỉ khi trong giai đoạn hấp hối, độ sáng của sao tăng lên một cách đáng kể do sự giãn nở của lớp bao ngoài và chúng ta có thể nhìn thấy chúng. Người xưa nghĩ rằng đó là một ngôi sao mới vừa được sinh ra. Chẳng hạn, vào năm 1054, siêu sao mới trong chòm sao Kim Ngưu xuất hiện. Theo sử sách chép lại thì nó sáng đến mức có thể quan sát thấy được, thậm chí, cả với bầu trời ban ngày. Ngày nay, tàn dư của siêu sao mới này là tinh vân con cua, và ở trung tâm của nó là một sao nơtron đồng thời cũng là một pulsar. Vượt qua giới hạn khối lượng của sao nơtron, lõi sao tiếp tục co lại để trở thành một lỗ đen. Nếu Mặt trời của chúng ta muốn biến thành một lỗ đen thì phải ép cho đến khi kích thước của Mặt trời chỉ còn vài kilomet.
Ngày nay, các nhà thiên văn có thể dò tìm các lỗ đen loại này trong vũ trụ thông qua những ảnh hưởng và hiệu ứng gián tiếp của chúng. Những lỗ đen có lực hấp dẫn rất ghê gớm, chúng có thể tác động và làm lệch quỹ đạo của những ngôi sao ở gần chúng. Đặc biệt, có những hệ sao đôi mà một trong hai sao là lỗ đen, mà sao kia là một ngôi sao bình thường nhìn thấy. Quan sát chuyển động của sao nhìn thấy có thể suy ra đối tượng vô hình là lỗ đen. Hoặc các nhà thiên văn cũng có thể nhận biết lỗ đen bằng một cách khác. Những thiên thể xấu số hoặc những đám mây khí bị lỗ đen “ăn thịt”. Trước khi bị lỗ đen “nuốt chửng”, lực hấp dẫn sẽ xé nát chúng ra, sau đó sẽ rơi vào lỗ đen theo đường xoáy ốc. Khí và bụi bị nghiền nát cọ xát vào nhau tạo ra một đĩa khi nóng sang có nhiệt độ cực kỳ cao. Trong điều kiên nhiệt độ cao như vậy chúng sẽ phát xạ mạnh tia X, gamma và sóng vô tuyến. Quan sát một nguồn phát xạ mạnh tia X trên bầu trời cũng có thể nhận diện được lỗ đen.
Những phép đo hiệu ứng Doppler của sao siêu khổng lồ xanh trong chòm sao Thiên Nga chỉ ra rằng, ngôi sao này đang quay xung quanh một đối tượng không nhìn thấy với chu kỳ là 5,6 ngày. Khối lượng của thiên thể không nhìn thấy này ước tính từ 8 đến 10 lần khối lượng Mặt trời. Có ba lý do dể chỉ ra rằng, đối tượng không nhìn thấy chính là một lỗ đen. Thứ nhất, đây là một nguồn tia X mạnh được khám phá từ năm 1972 (Cygnus-X1). Nguồn tia X này gợi ý sự tồn tại của một lỗ đen bởi vì vật chất trước khi rơi vào lỗ đen bị iôn hoá, gia tốc nhanh và phát ra tia X trong môi trường nhiệt độ cao. Thứ hai, sao khổng lồ xanh (cỡ 15 lần khối lượng Mặt trời) rõ ràng quay xung quanh một nguồn tia X mạnh. Điều này gợi ý nguồn tia X đó hoặc là sao nơtron hoặc là lỗ đen. Thứ ba, các tính toán cho thấy khối lượng của đối tượng không nhìn thấy ước tính từ 8 đến 10 lần khối lượng Mặt trời, qua lớn đối với một sao nơtron có giới hạn khối lượng cỡ 3 lần khối lượng Mặt trời. Như vậy, đó chỉ có thể là một lỗ đen.
Thế còn loại lỗ đen thứ ba thì sao? Đó là những lỗ đen cư ngụ ở trung tâm của những thiên hà lớn. Thiên hà Ngân hà của chúng ta chẳng hạn, các quan sát thiên văn gần đây cũng đã tiết lộ tồn tại một lỗ đen có khối lượng gấp hàng triệu thậm chí hàng tỷ lần khối lượng của Mặt trời. Ở trung tâm của những thiên hà tập trung dày đặc những ngôi sao. Như vậy rất dễ xảy ra va chạm và hợp nhất các sao. Các ngôi sao sau khi hợp nhất sẽ co lại cho đến khi trở thành một lỗ đen khổng lồ ở trung tâm của những thiên hà lớn. Những lỗ đen kiểu này có một sức hút ma quái khiến nó cứ lớn dần lên bằng cách hút các sao và khí trong môi trường giữa các vì sao ở vùng lân cận. Đã có nhiều quan sát thiên văn đưa ra bằng chứng về sự hiện diện của những lỗ đen loại này.
Trung tâm của Dải Ngân hà là một trong những vùng hoạt động mãnh liệt của những đám sao sáng, mây khí nóng và từ trường cực mạnh. Tất cả tập trung vào một đối tượng đặc, nhỏ gọi là Sagittarius A* (Sgr A*). Các quan sát về chuyển động nhanh của những ngôi sao xung quanh đối tượng này gợi ý rằng, tồn tại một lỗ đen khổng lồ có khối lượng cực lớn ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta.
Những quan sát cho thấy những khí nóng rơi vào Sgr A* theo đường xoáy ốc. Và bởi vì Sgr A* nằm ở trung tâm của Dải Ngân hà nên phần lớn ánh sáng mà nó phát ra đều bị hấp thụ bởi vật chất giữa các vì sao trong Dải Ngân hà. Để nghiên cứu, các nhà thiên văn phải nghiên cứu vùng sóng tia X, vô tuyến và một vài dải sóng thích hợp khác. Những quan sát cho thấy có một vòng vật chất rơi vào lỗ đen.
Một nhóm các nhà thiên văn dẫn đầu bởi Andrea Ghez tại Đại học California ở Los Angeles đã tiến hành những quan sát chi tiết và chính xác nhất từ trước tới nay về 3 ngôi sao chuyển động xung quanh Sgr A*. Ghez và các cộng sự cũng đã thu thập những bức ảnh hồng ngoại chụp từ kính thiên văn Keck ở Hawaii trong hơn bốn năm qua. Vị trí những sao gần Sgr A* nhất thay đổi một cách rõ ràng chỉ trong khoảng thời gian là một vài năm. Điều này ám chỉ có một thiên thể khối lượng cực lớn trong ở vị trí của SgrA*.
Ngoài Dải Ngân hà ra, các quan sát thiên văn còn tiết lộ nhuững thông tin về lỗ đen ở trung tâm các thiên hà khác trong vũ trụ. Hình trên được chụp bởi kính thiên văn không gian Hubble đã chỉ ra ba đặc điểm chính của thiên hà NGC 4261. Vùng trắng bên ngoài là phần trung tâm của thiên hà NGC 4261. Vùng bên trong là một đĩa hình xoắn ốc. Khi nó quay, chúng ta có thể đo được bán kính và tốc độ các hợp phần của đĩa từ đó tính ra khối lượng tổng cộng. Đối tượng này lớn bằng Hệ Mặt trời của chúng ta và có khối lượng 1,200,000,000 khối lượng của Mặt trời. Đó rất có thể là một lỗ đen.
Một trường hợp khác, M87 là một thiên hà elip hoạt động mạnh. Gần trung tâm của nó tồn tại một đĩa khí nóng hình xoáy ốc. Các nhà thiên văn có thể xác định được tốc độ quay và kích thước của đĩa khí này. Từ đây có thể xác định được khối lượng của đối tượng nhìn thấy nằm ở trung tâm của nó. Mặc dù đối tượng này không lớn hơn Hệ Mặt trời của chúng ta và có khổi lượng cỡ 3 tỷ lần khối lượng Mặt trời. Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn của nó cực mạnh đến mức có thể làm cho ánh sáng không thể thoát ra được. Đó phải là một lỗ đen. Trên bức ảnh chụp được cũng chỉ ra một đuôi vật chất được phóng ra dọc theo trục tự quay bao gồm các hạt tương đối tính chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng may mắn thoát ra ngoài không bị nuốt chửng bởi lỗ đen.
Lỗ đen là một hiểm hoạ tiềm ẩn lang thang một cách vô hình trong vũ trụ. Chúng có thể hút và xé nát bất cứ một thứ gì mà chúng gặp trên đường đi, bất kể là anh em, họ hàng là những lỗ đen khác. Chúng chơi trò “luật rừng”- kẻ nào mạnh, kẻ đó thắng. Ngoài đặc trưng là kẻ tham ăn vô cùng tận thì lỗ đen còn biểu hiện nhiều đặc điểm kỳ lạ khác nữa. Đó là sự cong của không gian và giãn nở của thời gian.
Phương trình thuyết tương đối rộng của Einstein chỉ ra rằng, không gian sẽ bị cong ở xung quanh những nơi tập trung khối lượng lớn. Khối lượng càng lớn thì không gian xung quanh sẽ càng cong. Hay nói một cách khác, độ cong của không gian tỷ lệ với khối lượng. Điều này cũng đã được kiểm chứng bằng những quan sát thiên văn về sự lệch đi của tia sáng khi đi qua đĩa Mặt trời trong mỗi lần nhật thực. Vị trí biểu kiến của ngôi sao bị lệch đi một chút so với thông thường đã chứng minh tính chất đó. Việc tập trung một mật độ vô hạn trong một thể tích cực nhỏ có thể khiến độ cong của không gian là vô cùng. Một không gian như thế sẽ tự khép kín và mọi sự kiện diễn ra trong không gian đó sẽ vĩnh viễn tách rời khỏi vũ trụ, đó là trường hợp của lỗ đen. Biên của lỗ đen mà ở đó một hạt ánh sáng đứng trước hai khả năng hoặc sẽ bị hút về phía tâm của lỗ đen, hoặc có thể mãi mãi thoát ra để đi vào khoảng mênh mông của vũ trụ. Biên đó còn được gọi là chân trời sự cố. Kích thước của lỗ đen chính là bán kính của chân trời sự cố.
Trong thuyết tương đối rộng của Einstein thì thời gian cũng hành xử rất khác với thói quen hàng ngày. Ở đây, một tính chất cũng được chỉ ra rằng, thời gian bên cạnh những vật có khối lượng lớn sẽ trôi chậm hơn ở bên cạnh những vật có khối lượng nhỏ. Điều dó có nghĩa rằng, khi bạn sống ở trên Sao Mộc, thì bạn sẽ có cơ hội được sống lâu hơn. Thật đáng tiếc, việc trôi chậm của thời gian cũng chẳng đáng kể là bao. Nó thậm chí còn không đủ để bạn kịp chớp mắt một cái nếu bạn có thể sống đến vài vạn năm. Nhưng đối với lỗ đen thì khác, mọi thứ hoàn toàn có thể cảm nhận được. Nếu bạn đang đi trên một con tầu vũ trụ và bay về phía một lỗ đen. Những hình ảnh mà bạn truyền về hiện trên màn hình ở Trái dất sẽ diễn ra chậm dần theo sự rút ngắn khoảng cách từ con tàu vũ trụ của bạn tới lỗ đen. Khi con tàu đến biên lỗ đen thì thì hầu như thời gian trên con tàu dừng lại và trên màn hình ở Trái đất thì mọi động tác của bạn đều bất động. Chỉ chờ chút nữa là màn hình sẽ tối đen, lúc đó có nghĩa là bạn đã đi vào bên trong của chân trời sự cố và mãi mãi tác rời khỏi mọi quy luật chi phối vũ trụ bên ngoài. Đó là một ví dụ không bao giờ có thể thực hiện được và đơn giản chỉ là cách môt tả để bạn dễ mường tượng. Lực hấp dẫn của lỗ đen kéo dài ban như một sợi mì trước khi bị nuôt chửng. Cho đến bây giờ, tính chất này của thời gian cũng chưa được kiểm nghiệm, bởi chúng ta không thể tìm được một vật gì đủ nặng trong Hệ Mặt trời để có thể đặt một chiếc đồng hồ ở đó mà đếm thời gian.
Nhưng lỗ đen có phải lúc nào cũng đen không? Hawking chỉ ra rằng, không phải thế. Lỗ đen vẫn toả sáng hay đúng hơn là phát xạ. Hiện tượng này gọi là sự bốc hơi hay bức xạ Hawking. Trường hấp dẫn mạnh bao quanh ngoài lỗ đen có thể “hô biến” các hạt ảo thành các hạt thực theo nguyên lý bất định trong vật lý. Một cặp hạt và phản hạt được sinh ra từ chân không năng lượng. Một số hạt sau khi đã trở thành hạt thực rồi hoặc có thể bị hút vào lỗ đen hoặc may mắn thoát ra ngoài được tạo ra bức xạ Hawking. Và như vậy đúng là lỗ đen bốc hơi. Điều này đồng nghĩa với việc là các lỗ đen sẽ “gầy” đi do phải bốc hơi như thế. Thời gian bốc hơi này tỷ lệ thuận với khối lượng và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ của lỗ đen. Như vậy những lỗ đen nguyên thuỷ sẽ bốc hơi sạch sành sanh trong nháy mắt để tạo ra một vụ “bùng nổ”. Nếu các nhà thiên văn ghi nhận được sự bùng nổ kiểu như kiểu trong vũ trụ thì có thể kiểm nghiệm được tiên đoán lý thuyết. Những lỗ đen sao thì tốc độ bốc hơi này diễn ra một cách đều đều và chậm chạm. Chẳng hạn, những lỗ đen có khối lượng bằng Mặt trời thì phải cần khỏang thời gian là 1065 năm mới bốc hơi hết. Còn đối với những lỗ đen thiên hà thì còn chậm chạp hơn đó rất nhiều lần. Nếu một lỗ đen thiên hà có khối lượng băng khoảng một tỷ lần khối lượng của Mặt trời sẽ phải mất khoảng thời gian bốc hơi là 1092 năm. Nhưng một lỗ đen chỉ có thể bốc hơi chỉ khi nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh. Như thế, những lỗ đen sao, lỗ đen thiên hà và lỗ đen đám hoặc siêu đám thiên hà cần phải chờ một khoảng thời gian dài mệt mỏi phía trước mới bắt đầu có thể bốc hơi. Bởi vì nhiệt độ của những lỗ đen này phải thấp hơn nhiệt độ của vũ trụ, tức là nhiệt độ của phông bức xạ nền vốn tràn ngập vũ trụ. Nhưng chắc chắc chắn rằng vũ trụ sẽ phải lạnh nhanh hơn lỗ đen để có thể cho phép nó bốc hơi. Đến đây chúng ta sẽ không gán ghép cho lỗ đen cái biệt hiệu “con thuồng luồng tham ăn nhất trong vũ trụ” nữa. Xem ra cái vị khách bí ẩn này cũng khá hào hoa vì vẫn trả lại vũ trụ những gì mà nó lấy đi.
Cho đến ngày nay, lỗ đen vẫn luôn là một trong những điều bí ẩn nhất của vũ trụ. Nó bí ẩn không kém vấn đề về vật chất tối và năng lượng tối vẫn đang trở thành chủ đề hấp dẫn và nóng bỏng nhất của ngành vũ trụ học. Liệu lỗ đen có tồn tại hay không? Nó có giống về những gì mà chúng ta nghĩ về nó hay không? Tất cả đang ở phía trước chờ chúng ta khám phá.
---------
DIẽn dàn tự nhiên ko cho del bài, quái lạ thật:-/
Chỉnh sửa lần cuối:
