Không có gì trong vũ trụ đáng sợ hơn một hố đen, Chris Impey, giáo sư thiên văn học Đại học Arizona, Mỹ nhấn mạnh trong bài phân tích về hố đen vũ trụ.
Hố đen - khu vực trong vũ trụ có lực hấp dẫn mạnh đến mức không gì có thể thoát ra ngoài - là chủ đề nóng hổi hiện nay. Giáo sư Chris Impey chỉ ra, hố đen đáng sợ vì 3 lý do. Nếu bất cứ thứ gì rơi vào một hố đen hình thành khi một ngôi sao chết đi, vật đó sẽ bị xé vụn. Những hố đen khổng lồ quan sát được ở trung tâm của tất cả các thiên hà đều "phàm ăn" vô cùng. Và cuối cùng, hố đen là nơi các quy luật vật lý vô hiệu.
Nghiên cứu hố đen hơn 30 năm, tập trung vào các hố đen siêu khối lượng ở trung tâm của các thiên hà, giáo sư Đại học Arizona lưu ý, hầu hết thời gian các hố đen không hoạt động nhưng khi ở trạng thái hoạt động nuốt những ngôi sao và khí, vùng gần hố đen có thể chiếu sáng toàn bộ thiên hà chứa hố đen đó. Những thiên hà chứa hố đen hoạt động được gọi là chuẩn tinh. Với những gì nhân loại tìm hiểu về hố đen vài thập kỷ qua, vẫn còn rất nhiều bí ẩn cần giải đáp.
Hố đen là nấm mồ vật chất
Hố đen vũ trụ được cho là hình thành khi một ngôi sao khổng lồ chết đi. Sau khi nhiên liệu hạt nhân của ngôi sao cạn kiệt, lõi ngôi sao sụp đổ đến trạng thái vật chất dày đặc hơn 100 lần so với hạt nhân nguyên tử, dày đặc tới mức proton, neutron và electron không còn là những hạt rời rạc nữa. Bởi các hố đen là vùng tối nên được phát hiện khi quay quanh một ngôi sao bình thường. Những đặc tính của ngôi sao bình thường giúp các nhà thiên văn suy ra được những đặc tính của đối tượng đồng hành tối đó là hố đen.
Hố đen đầu tiên được xác nhận là Cygnus X-1, nguồn tia X sáng nhất trong chòm sao Thiên Nga. Kể từ đó, khoảng 50 hố đen vũ trụ đã được phát hiện trong những hệ thống mà một ngôi sao bình thường đi theo quỹ đạo với một hố đen. Đó là những ví dụ gần nhất về khoảng 10 triệu hố đen được cho là nằm rải rác trong Dải Ngân hà.
Hố đen vũ trụ là những nấm mồ vật chất: Không gì có thể thoát khỏi chúng, kể cả ánh sáng. Số phận của bất kỳ ai rơi vào một hố đen là sẽ bị "spaghettification" (hay spaghetti hóa) đau đớn - ý tưởng mà Stephen Hawking phổ biến trong cuốn sách “Lược sử thời gian". Trong quá trình spaghettification, lực hấp dẫn cực mạnh của hố đen sẽ kéo giãn cơ thể, tách xương, cơ, gân và thậm chí cả các phân tử. Như mô tả về cổng địa ngục trong Thần khúc của Dante, có thể hiểu số phận của bất cứ ai hoặc vật thể nào rơi vào hố đen, là: Tất cả những ai bước vào đây hãy từ bỏ hi vọng.
Quái thú đói khát trong mọi thiên hà
Trong 30 năm qua, các quan sát bằng kính viễn vọng không gian Hubble chỉ ra rằng, tất cả các thiên hà đều có hố đen ở trung tâm, với những hố đen lớn ở các thiên hà lớn. Phạm vi khối lượng của các hố đen vũ trụ khác biệt đáng kinh ngạc, từ gấp vài lần Mặt trời đến những quái vật to gấp hàng chục tỉ lần, sự khác biệt như quả táo với đại kim tự tháp Giza Ai Cập.
Những hố đen khổng lồ nguy hiểm theo 2 cách. Nếu đến quá gần, lực hấp dẫn khổng lồ sẽ hút các vật thể vào. Và nếu hố đen đang ở giai đoạn chuẩn tinh hoạt động, bức xạ năng lượng cao sẽ thổi bay các vật thể.
Hố đen siêu khối lượng rất kỳ lạ
Hố đen lớn nhất được phát hiện cho đến nay nặng gấp 40 tỉ lần khối lượng của Mặt trời hoặc gấp 20 lần kích thước của Hệ Mặt trời. Trong khi các hành tinh vòng ngoài của Hệ Mặt trời quay quanh quỹ đạo 1 lần trong 250 năm, hố đen lớn nhất lại quay 3 tháng 1 lần. Cạnh ngoài của hố đen lớn nhất di chuyển với tốc độ bằng một nửa tốc độ ánh sáng. Tâm của hố đen là điểm kỳ dị, điểm trong không gian mà mật độ là vô hạn. Chúng ta không thể hiểu bên trong hố đen bởi vì các quy luật vật lý bị phá vỡ. Thời gian đóng băng ở chân trời sự kiện và lực hấp dẫn trở nên vô hạn ở điểm kỳ dị.
Theo Stephen Hawking, các hố đen vũ trụ đang dần bốc hơi. Trong tương lai xa của vũ trụ, rất lâu sau khi tất cả ngôi sao đã chết và các thiên hà bị thu hẹp tầm nhìn bởi sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ, hố đen sẽ là vật thể cuối cùng còn sót lại. Những hố đen siêu khối lượng nhất cũng mất một số năm không thể tưởng tượng được để bốc hơi, ước tính từ 10 đến 100 hoặc 10 với 100 số 0 sau nó. Những vật thể đáng sợ nhất trong vũ trụ gần như vĩnh cửu, giáo sư Chris Impey nhận định.
Sự tồn tại của lỗ đen
Năm 1915, Albert Einstein đưa ra thuyết tương đối rộng và vài tháng sau đó được bổ sung thêm phương trình trường mô tả không-thời gian bị biến dạng do sự có mặt của khối lượng. Lý thuyết này chỉ ra rằng hấp dẫn trên thực tế không phải - hay ít ra là không hẳn - là một lực, mà nó là hệ quả của sự biến dạng của không-thời gian do khối lượng. Vùng không-thời gian bị biến dạng quanh một vật thể mang khối lượng được gọi là trường hấp dẫn (giống như điện trường bao quanh vật mang điện tích).
Chỉ vài tháng sau khi Einstein công bố lý thuyết của mình, một nhà vật lý khác là Karl Schwarzschild tính ra một nghiệm đặc biệt của phương trình trường, cho biết rằng khi một vật thể khối lượng M bị nén xuống một bán kính đủ nhỏ, nó sẽ sụp đổ do khối lượng của chính mình. Bán kính đó được gọi là bán kính Schwarzschild và được tính bằng công thức: rs = 2MG/c2. Trong đó, M là khối lượng vật thể, G là hằng số hấp dẫn còn c là vận tốc ánh sáng.
Khi một vật thể như vậy sụp đổ, nó sẽ tạo thành một điểm có mật độ vô hạn ở trung tâm, được các nhà vật lý gọi là kỳ dị (singularity). Tại kỳ dị này, mọi định luật vật lý mà chúng ta đã biết được cho là sẽ không như vậy mà hành xử theo một cách hoàn toàn khác do độ cong của không-thời gian. Kỳ dị này là tâm của mặt cầu có bán kính chính bằng bán kính Schwarzschild. Đường bao của mặt cầu đó được gọi chân trời sự kiện (event horizon). Toàn bộ khu vực bên trong chân trời sự kiện đó chính là thứ được chúng ta gọi là lỗ đen (black hole).
Trường hấp dẫn của lỗ đen mạnh tới mức nó uốn cong không-thời gian bên trong chân trời sự kiện tới độ cong vô hạn, khiến cho đường đi của mọi loại vật chất (trong đó có ánh sáng) khi chạm tới chân trời sự kiện đều bị uốn vào phía trong của nó và không thể đi ra ngoài. Vì lý do này, lỗ đen thường được hiểu nhầm là vật thể có thể hút mọi thứ với sức hút vô hạn. Trên thực tế, những gì không chạm tới chân trời sự kiện của nó thì vẫn chịu hấp dẫn của nó phụ thuộc vào khối lượng và khoảng cách như Newton đã mô tả trong định luật hấp dẫn của ông cách đây hơn 300 năm.
Hai loại lỗ đen phổ biến mà các nhà khoa học đã xác định được ngày nay là lỗ đen khối lượng sao (hình thành do sự sụp đổ cuối đời của các sao nặng) và lỗ đen siêu nặng (ở trung tâm của hầu hết các thiên hà lớn đã được quan sát).
Lỗ đen dẫn bạn đi xuyên qua không gian và thời gian?
Những người mơ mộng thì hẳn là thích ý tưởng này. Một tác phẩm gần đây và gây được nhiều chú ý nhất liên quan tới đề tài này là phim Interstellar của đạo diễn Christopher Nolan. Ở cuối phim, nhân vật của Matthew McConaughey thông qua một lỗ đen để đi xuyên qua không gian và thời gian.
Trên thực tế, ý tưởng đó không hề mới mà được nhắc tới nhiều lần. Không thể phủ nhận đó là ý tưởng đầy cuốn hút. Từ nhiều năm trước, các nhà vật lý lý thuyết sớm đã dự đoán sự tồn tại của một thực thể đối lập với lỗ đen gọi là lỗ trắng (white hole).
Tấm ảnh lỗ đen vũ trụ thứ hai của nhân loại chụp Sagittarius A*, thiên thể khổng lồ nằm ngay trung tâm Dải Ngân hà
Nhóm các nhà khoa học tới từ Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard & Smithsonian đã lần thứ hai cung cấp cho nhân loại tấm ảnh lỗ đen vũ trụ. Đặc biệt hơn lần trước, tấm ảnh mới mô tả lỗ đen khổng lồ nằm giữa Dải Ngân hà thân thương.
Năm 2019, các nhà thiên văn học công bố bức ảnh đầu tiên về một hố đen và đường chân trời sự kiện của hố đen - con quái vật có khối lượng 7 tỉ Mặt trời ở trung tâm của thiên hà M87. Hố đen này lớn hơn 1000 lần so với hố đen trong Dải Ngân hà.
Tấm ảnh mới được chụp bởi Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (Event Horizon Telescope - EHT), đây cũng là thiết bị đã hoàn thiện tấm ảnh lỗ đen đầu tiên của nhân loại năm 2019. Nhóm nghiên cứu cùng lúc để mắt tới cả hai thiên thể khổng lồ, nhưng bản chất phức tạp của nghiên cứu khiến họ phải lần lượt thực hiện hai dự án.
“Đây là lỗ đen siêu khổng lồ của chúng ta. Đây chính là trung tâm của khu vực ta sống”, Peter Galison, giám đốc dự án nghiên cứu lỗ đen của Harvard và thành viên nhóm điều khiển EHT cho hay.
Thiên thể trong ảnh là Sagittarius A, và cũng có vẻ ngoài tương tự với lỗ đen của thiên hà Messier 87 đã từng được chụp trước đây. Cả hai tấm ảnh đều cho thấy một quầng sáng nóng đỏ, là số vật chất đang bay xung quanh một lỗ đen có thể hút được cả ánh sáng, thông qua lực hấp dẫn mạnh vô địch.
Tấm ảnh mới khẳng định sự tồn tại của lỗ đen khổng lồ nằm tại trung tâm Dải Ngân hà, cách chúng ta 27.000 năm ánh sáng. Nó củng cố những giả thuyết cho rằng những thiên thể khổng lồ này tồn tại ở trung tâm các thiên hà, đồng thời giúp chúng ta giải thích cách thức các thiên hà hình thành.
“Một lần nhìn thấy cái vòng sáng bao quanh màn đen là đã tuyệt vời lắm rồi, nhưng giờ đã thấy lần thứ hai, chúng tôi bắt đầu tự tin khẳng định trung tâm thiên hà chứa những lỗ đen khổng lồ, gấp khối lượng Mặt Trời hàng triệu hay thậm chí hàng tỷ lần”, ông Galison cho hay.
Các nhà nghiên cứu “chụp” được tấm ảnh bằng Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện, là một mạng lưới các thiết bị vô tuyến kết nối trên phạm vi toàn cầu, biến Trái Đất thành một thiết bị quan sát có một không hai. Tháng 4/2017, bằng tám đài quan sát vô tuyến đặt trên 6 đỉnh núi của 5 lục địa, các nhà thiên văn học liên tục quan sát cặp lỗ đen trong suốt 10 ngày; một nằm tại trung tâm thiên hà dạng elip Messier 87 (M87), và một là Sagittarius A (Sgr A*) nằm giữa Dải Ngân hà.
Từ số dữ liệu lớn, thuật toán của siêu máy tính phân tích chỉ số có nghĩa và tạo ra hình ảnh của lỗ đen của thiên hà M87. Sau khi có được tấm ảnh đầu tiên của lỗ đen vũ trụ vào năm 2019, các nhà khoa học mới có thể tập trung vào nghiên cứu Sgr A*.
“So với M87 là một trong những lỗ đen lớn nhất vũ trụ ta đang biết, lại còn phóng ra một tia vật chất xuyên qua toàn bộ thiên hà của nó, Sgr A* lại đem đến góc nhìn vào một lỗ đen cơ bản, im ắng và nhu mì”, nhà vật lý thiên văn thuộc nhóm điều hành Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện Michael Johnson nhận định.
Thông qua việc so sánh hai hình ảnh, nhóm nghiên cứu có thể luận ra cơ chế hoạt động của lỗ đen, tìm hiểu cách chúng tương tác với không gian xung quanh, bên cạnh đó xác định vai trò của lỗ đen siêu khổng lồ trong việc hình thành và duy trì một thiên hà.
Để mô tả khác biệt giữa hai lỗ đen, cô Sara Issaoun công tác tại NASA so sánh lỗ đen của M87 với một người trưởng thành đang ngồi im một chỗ và chờ được chụp ảnh. Trong khi đó, Sgr A* là một cậu nhóc chạy quanh, trong khi nhiếp ảnh gia chụp phơi sáng. Điều đó khiến tấm ảnh thành phẩm sẽ chứa nhiều vệt mờ. Chưa hết, EHT sẽ còn phải nhìn xuyên qua một khoảng trời thập cẩm những bụi và khí, vốn làm cho ánh sáng phân tán trong không gian.
Đối mặt với quá nhiều thử thách, nhóm điều hành EHT quyết định lần lượt nghiên cứu từng lỗ đen. Họ kiên nhẫn sử dụng các phương pháp tính toán để tạo ra hàng ngàn tấm ảnh, rồi gộp chúng lại thành sản phẩm cuối cùng. Nhóm đã phải làm việc này tới hai lần với hai lỗ đen, và tấm ảnh mới nhất là kết quả của nỗ lực không biết mệt mỏi.
Chặng đường nghiên cứu vẫn còn dài. Nhóm các nhà khoa học đang lên kế hoạch cho ngEHT, là Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện Thế hệ Mới: đây sẽ là dàn thiết bị có thể quay phim được một lỗ đen. Thay vì một kính viễn vọng, nhân loại sẽ sở hữu một máy quay có quy mô hành tinh. Đến lúc đó, những đặc điểm bí ẩn nhất của lỗ đen sẽ dần hé lộ trong thước phim có độ phân giải cao.
Nguồn: Tổng hợp
Comentarios