Lỗ đen có thể là hiện tượng bí ẩn nhất – và bị hiểu lầm – của tự nhiên.
Mặc dù trong các bộ phim khoa học viễn tưởng và không gian, chúng thường được coi là cổng thông tin đến một chiều không gian khác, hoặc máy hút bụi vũ trụ khổng lồ hút bất cứ thứ gì đi lạc quá gần, nhưng giờ đây chúng được biết là có khả năng trục xuất các tia vật chất vũ trụ mạnh mẽ vào không gian và thậm chí có thể phát xạ. năng lượng nhiệt và ánh sáng có thể được quan sát bằng kính viễn vọng mạnh mẽ.
Các nhà thiên văn học thậm chí đã chụp được bức ảnh đầu tiên về lỗ đen, trong thiên hà M87, tiết lộ nhiều bí mật hơn nữa xung quanh những vật thể vũ trụ khổng lồ này.
Có rất nhiều câu hỏi về lỗ đen, và mặc dù câu trả lời không phải lúc nào cũng rõ ràng, nhưng các nhà vũ trụ học đã cố gắng ghép lại một lượng kiến thức đáng kinh ngạc, vốn coi các lỗ đen phần lớn chỉ là giả thuyết cho đến tương đối gần đây, bản thân nó đã là một kỳ tích.
Dưới đây là một số câu hỏi thường gặp nhất về lỗ đen và vai trò của chúng trong hoạt động của Vũ trụ.
Các ngôi sao có khối lượng trung bình, phát nổ trong siêu tân tinh và tạo thành sao neutron, được cho là có khối lượng từ 8 đến 30 lần khối lượng Mặt Trời.
Những ngôi sao nhỏ hơn khối lượng này kết thúc cuộc đời của chúng tương đối nhẹ nhàng, để lại những tinh vân hành tinh và những ngôi sao lùn trắng.
Những ngôi sao có khối lượng lớn hơn 50 lần khối lượng Mặt trời sẽ trở thành lỗ đen.
Điều gì xảy ra với những ngôi sao nặng hơn rơi vào khoảng 20-50 khối lượng mặt trời vẫn chưa chắc chắn và có thể dẫn đến một ngôi sao neutron hoặc lỗ đen.
Tỷ lệ thành phần hóa học của ngôi sao không phải là hydro, hoặc tính kim loại của ngôi sao, dường như đóng một vai trò quan trọng trong cái chết của nó.
Số phận cuối cùng của các ngôi sao có khối lượng trung bình ở mức cao nhất của phạm vi (20-30 lần khối lượng Mặt trời) phụ thuộc vào các giai đoạn cuối cùng dẫn đến siêu tân tinh.
Một ngôi sao mất khối lượng theo nhiều cách khác nhau, chủ yếu thông qua gió sao và nếu đủ vật chất bị mất đi, nó có thể tự hạ thấp xuống dưới ngưỡng và kết thúc dưới dạng sao neutron.
Trong các ngôi sao có khối lượng 20-30 mặt trời, tổn thất khối lượng gió sao có thể rất cao – vài phần trăm khối lượng mặt trời một năm trong những trường hợp cực đoan.
Vì vậy, tính kim loại của gió mặt trời, vận tốc và mật độ là những yếu tố chính quyết định liệu một ngôi sao có giảm đủ trọng lượng để tránh trở thành một lỗ đen hay không.
Vụ nổ siêu tân tinh phóng ra một lượng lớn vật chất (có giá trị bằng vài lần khối lượng Mặt trời), nghiền nát lõi đến mật độ đáng kinh ngạc, tạo ra một ngôi sao neutron.
Ngôi sao này được hỗ trợ bởi áp suất của các neutron bên trong nó. Tuy nhiên, trên một khối lượng nhất định gấp đôi Mặt trời, nhưng chắc chắn không quá ba lần, áp suất này không thể giữ được lực hấp dẫn và ngôi sao neutron tự sụp đổ để tạo thành một lỗ đen.
Không thực sự. Hố đen hình thành khi một vật thể nặng, chẳng hạn như một ngôi sao lớn sắp hết tuổi thọ, co lại dưới lực hấp dẫn của chính nó thành một ‘điểm kỳ dị’ giống như điểm.
Vì tất cả những gì còn lại là một vùng không-thời gian bị cong vênh nghiêm trọng, gần giống như một cái giếng không đáy, nên việc xác định hình dạng của lỗ đen không hề đơn giản.
Các nhà vật lý hình dung một màng tưởng tượng, hay ‘đường chân trời’, bao quanh điểm kỳ dị. Đường chân trời là điểm không quay trở lại đối với vật chất đang rơi xuống.
Và ánh sáng bắt nguồn từ đường chân trời không bao giờ có thể thoát ra khỏi giếng hấp dẫn của lỗ, đó là lý do tại sao lỗ đen có màu đen.
Đường chân trời này có dạng hình cầu, giống như một bong bóng xà phòng hoàn hảo, và chắc chắn trong trường hợp lỗ đen không quay, hay Schwarzschild, thì chúng ta có thể nói lỗ đen có dạng hình cầu.
Tuy nhiên, trong trường hợp lỗ đen quay, hay còn gọi là lỗ đen Kerr, có một bề mặt khác bên ngoài đường chân trời.
Giữa ‘giới hạn tĩnh’ này và đường chân trời, không gian xoay tròn nhanh đến mức ngay cả ánh sáng cũng phải xoay theo cái lỗ.
Giới hạn tĩnh phình ra ở xích đạo giống như một vật thể quay tròn, do đó có thể nói một lỗ quay có hình dạng của một hình cầu dẹt (quả cầu ‘bị bẹp’).
Ngay cả khi chúng ta có thể nhìn thấy các lỗ đen một cách trực tiếp, chúng không phải là các lỗ trong không gian theo nghĩa là bạn có thể nhìn xuyên qua chúng giống như bạn có thể nhìn xuyên qua một cây bạc hà polo.
Chúng là những vùng không-thời gian bị cong vênh nghiêm trọng và chúng xóa nhòa những thứ đằng sau chúng giống như một vật thể rắn, mờ đục.
Mặt khác, lực hấp dẫn của chúng có thể bẻ cong ánh sáng giống như một thấu kính, tạo ra nhiều hình ảnh của một vật thể nền – ví dụ như chuẩn tinh. Điều này được gọi là thấu kính hấp dẫn.
Vì vậy, theo một nghĩa nào đó, bạn có thể thấy một hình ảnh méo mó về một điều gì đó vượt xa.
Nói đúng ra, câu hỏi này không có câu trả lời có ý nghĩa. Chân trời sự kiện – một bề mặt tưởng tượng bao phủ lỗ đen – đánh dấu điểm không thể quay lại đối với ánh sáng và vật chất đang rơi vào.
Do đó, không có gì – kể cả nhiệt – có thể thoát khỏi nó.
Nhưng, nếu không có nhiệt nào có thể truyền tới Vũ trụ bên ngoài từ bên trong đường chân trời, thì phần bên trong có thể không có nhiệt độ có ý nghĩa đối với Vũ trụ bên ngoài.
Tuy nhiên, một lỗ đen thực sự có nhiệt độ, một điều khiến các nhà vật lý ngạc nhiên.
Gợi ý đầu tiên được tìm thấy bởi nhà vật lý người Israel Jacob Bekenstein, người đã suy đoán vào năm 1972 rằng diện tích bề mặt của chân trời sự kiện đại diện cho ‘entropy’ của lỗ đen.
Entropy là đại lượng có quan hệ mật thiết với nhiệt động lực học nên ai cũng hoang mang.
Tất cả trở nên rõ ràng khi Stephen Hawking phát hiện ra rằng ‘các quá trình lượng tử’ vi mô khiến một lỗ đen phát ra một trận mưa hạt hạ nguyên tử liên tục.
Những thứ này không đến từ bên trong lỗ đen – điều đó là không thể. Thật đáng kinh ngạc, chúng dường như được tạo ra từ khoảng chân không biểu kiến bao quanh chân trời sự kiện.
Do ‘bức xạ Hawking’ này, lỗ đen không hoàn toàn đen. Giống như bất cứ thứ gì khác tỏa ra, nó có nhiệt độ.
Đối với một lỗ đen có khối lượng sao, nhiệt độ đó nhỏ đến mức khó tin, mặc dù đối với một lỗ đen cực nhỏ, nhiệt độ đó sẽ đủ lớn để khiến nó tỏa ra một lượng nhiệt lớn đến mức lỗ đen sẽ nhanh chóng biến mất.
Bức xạ Hawking không thoát ra khỏi lỗ đen. Điều đó có nghĩa là nó bắt nguồn từ bên trong một lỗ đen và bằng cách nào đó đã thoát ra ngoài.
Tuy nhiên, đặc điểm xác định của lỗ đen là không có gì – kể cả ánh sáng – có thể thoát khỏi nanh vuốt hấp dẫn của nó.
Bức xạ Hawking không thoát ra khỏi lỗ đen bởi vì nó không ở bên trong ngay từ đầu.
Thay vào đó, nó được tạo ra ở khu vực ngay bên ngoài ‘chân trời sự kiện’, điểm không thể quay trở lại đối với vật chất đang rơi vào.
Đây là cách nó hoạt động: theo thuyết lượng tử, chân không không trống rỗng mà là một cái vạc năng lượng sôi sục.
Các hạt hạ nguyên tử liên tục xuất hiện cùng với các phản hạt của chúng – ví dụ, các cặp electron-positron.
Thiên nhiên nhắm mắt làm ngơ trước sự sáng tạo vật chất từ hư không này chừng nào các hạt và phản hạt biến mất, hoặc ‘tiêu diệt’ lẫn nhau trong tích tắc.
Tất cả đều ổn, ngoại trừ gần chân trời sự kiện của một lỗ đen.
Ở đây, một thành viên của cặp hạt-phản hạt có thể rơi vào lỗ.
Hạt còn lại không có đối tác để tự hủy.
Do đó, nó được nâng lên từ một hạt có sự tồn tại thoáng qua, được gọi là hạt ‘ảo’, thành một hạt thực có sự tồn tại vĩnh viễn.
Sau đó, nó bay ra khỏi lỗ dưới dạng bức xạ Hawking.
Trái tim của Thiên hà của chúng ta thực sự chứa một lỗ đen siêu lớn. Được gọi là Nhân mã A, nó nặng khoảng 2,6 triệu lần khối lượng Mặt trời.
Mặc dù điều này nghe có vẻ ấn tượng, nhưng nó nhỏ hơn 1.000 lần so với các lỗ đen siêu khối lượng điều khiển các quasar mạnh nhất (trái tim sáng của các thiên hà xa xôi).
Một số quasar thể hiện những ‘tia nước’ mỏng như sợi chỉ ngoạn mục gồm các hạt hạ nguyên tử tốc độ cực cao đâm ra từ các cực của các lỗ đen siêu lớn trung tâm của chúng.
Tuy nhiên, Nhân Mã A hiện không hoạt động và không có tia nào như vậy. Nếu nó có chúng trong quá khứ, chúng sẽ yếu hơn hàng ngàn lần so với những thứ được tạo ra bởi một chuẩn tinh mạnh.
Trên thực tế, các tia phản lực sẽ yếu đến mức, ở khoảng cách 26.000 năm ánh sáng so với Trái đất, chúng sẽ không thể làm hỏng tầng ôzôn của Trái đất, điều này sẽ tạo ra rất nhiều vấn đề cho sự sống trên Trái đất.
Điều đó sẽ yêu cầu một siêu tân tinh nổ ra trong khoảng 30 năm ánh sáng của Trái đất.
Mặt khác, có thể chưa bao giờ hoặc sẽ không bao giờ có mối đe dọa như vậy, bởi vì trục quay của Nhân Mã A và Dải Ngân Hà có khả năng thẳng hàng.
Điều này có nghĩa là bất kỳ dòng tia nào sẽ xuất hiện vuông góc với đĩa Thiên hà mà tất cả các ngôi sao quay quanh, bao gồm cả Mặt trời.
Các máy bay phản lực sẽ chỉ đến với chúng ta nếu vòng quay của Sagittarius A đã bị thay đổi trong quá khứ, có lẽ do sự va chạm với một lỗ đen siêu lớn khác.
Cũng như nhiều nghiên cứu về lỗ đen, bằng chứng về các vụ va chạm đến từ dữ liệu thu được trên nhiều bước sóng khác nhau, nhưng chủ yếu từ các quan sát tia X.
Lực hấp dẫn trong các vụ va chạm của lỗ đen có thể tăng tốc vật chất lên vận tốc cực lớn.
Khi vật liệu này được nén, nó đạt tới nhiệt độ hàng triệu độ, phát ra phần lớn bức xạ điện từ của nó ở vùng cực tím, tia X và thậm chí cả tia gamma.
Các lỗ đen được cho là tồn tại ở nhiều kích cỡ khác nhau, từ khối lượng sao (khối lượng gấp vài lần Mặt trời) đến khối lượng siêu lớn (khối lượng hàng triệu hoặc hàng tỷ mặt trời) và các nhà thiên văn học cho rằng quan sát của họ cung cấp bằng chứng cho sự va chạm của cả hai cực.
Sự va chạm của các lỗ đen khối lượng sao là một trong những cơ chế tạo ra vụ nổ tia gamma, vụ nổ khổng lồ của bức xạ năng lượng cao, thường kéo dài không quá vài giây.
Ở một thái cực khác là các thiên hà đang va chạm. Người ta cho rằng hầu hết (hoặc thậm chí tất cả) các thiên hà đều chứa các lỗ đen siêu lớn ở lõi của chúng.
Khi các thiên hà va chạm, những gã khổng lồ này có thể quay quanh nhau và cuối cùng hợp nhất.
Hệ thống thiên hà hợp nhất NGC 6240 dường như chứa hai hạt nhân, có thể nhìn thấy rõ ràng trong các hình ảnh vô tuyến, hồng ngoại và quang học, và các quan sát tia X cho thấy đây là những lỗ đen sinh đôi cách nhau khoảng 3.000 năm ánh sáng.
Các nhà thiên văn học sử dụng phép đo giao thoa đường cơ sở rất dài đã nghiên cứu thiên hà hình elip 0402+379 và phát hiện ra rằng nó chứa hai lỗ đen siêu khối lượng (có tổng khối lượng hơn 150 triệu khối lượng Mặt Trời) chỉ cách nhau 24 năm ánh sáng – gần hơn 100 lần so với cặp lỗ đen gần nhất được quan sát trước đó.
Các máy dò sóng hấp dẫn sẽ sớm bắt đầu thu nhận các biến dạng trong không-thời gian do sự hợp nhất của các lỗ đen tạo ra.
Như Isaac Newton đã nhận ra, xu hướng tự nhiên của một vật thể trong không gian là di chuyển với tốc độ không đổi theo một hướng không đổi mãi mãi.
Tuy nhiên, nếu một vật thể như vậy đi gần một khối lượng lớn hơn nhiều, thì quỹ đạo của nó sẽ bị uốn cong về phía vật thể đó bởi lực hấp dẫn của khối lượng lớn hơn.
Nếu lực hấp dẫn của vật có khối lượng lớn hơn đủ mạnh, hoặc nếu vận tốc của vật nhỏ đủ nhỏ, thì quỹ đạo của nó có thể bị bẻ cong thành hình elip hoặc hình tròn xung quanh vật lớn hơn. Nói tóm lại, nó có thể bị mắc kẹt trong quỹ đạo.
Albert Einstein đã phát hiện ra rằng các hạt ánh sáng, được gọi là photon, có khối lượng hiệu dụng.
Tuy nhiên, chúng di chuyển quá nhanh – 300.000km/s – đến nỗi không ngôi sao nào có lực hấp dẫn đủ mạnh để giữ chúng trên quỹ đạo.
Chỉ có nguồn hấp dẫn mạnh nhất được biết đến, lỗ đen, mới có thể làm được điều đó. Ở khoảng cách 1,5 lần ‘bán kính Schwarzschild’ – bán kính hiệu dụng của lỗ đen – các photon có thể quay tròn vô tận.
Vì vậy, ánh sáng có thể quay quanh một lỗ đen. Do đó, nếu bạn có thể lơ lửng ở đó trong một con tàu vũ trụ và nhìn theo hướng vuông góc với lỗ đen, bạn sẽ nhìn thấy phía sau đầu của chính mình!
Khi một ngôi sao nặng co lại một cách thảm khốc dưới lực hấp dẫn của chính nó để tạo thành lỗ đen, thuyết hấp dẫn của Einstein dự đoán rằng vật chất của ngôi sao bị ép xuống một điểm có thể tích bằng 0 và mật độ vô hạn được gọi là ‘điểm kỳ dị’.
Nói cách khác, vật chất biến mất và bị nghiền nát khỏi sự tồn tại.
Một số suy đoán rằng nó xuất hiện trở lại trong một Vũ trụ khác, phun trào ra khỏi không gian trống rỗng dưới dạng một ‘lỗ trắng’.
Lỗ đen, trống rỗng vật chất, do đó không được tạo thành từ gì khác ngoài không gian và thời gian. Hãy tưởng tượng nó như một cái giếng không đáy trong kết cấu của không-thời gian.
Tuy nhiên, một điểm kỳ dị là một thứ quái dị chỉ ra rằng một lý thuyết đã được mở rộng ra ngoài điểm mà nó có bất cứ điều gì hợp lý để nói.
Cho đến nay, một lý thuyết tốt hơn – cái gọi là lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn – vẫn chưa nằm trong tầm tay của chúng ta.
Tuy nhiên, người ta kỳ vọng sẽ chỉ ra rằng có điều gì đó xảy ra trước khi lực hấp dẫn trở nên vô hạn, một số điểm kỳ dị bị mềm đi để lại một loại di tích lượng tử nào đó.
Đây được dự đoán là một đối tượng quá khích và manh động.
Mặc dù các thuộc tính của nó sẽ không phải là vô hạn, nhưng chúng sẽ gần với vô cực hơn bất kỳ thứ gì khác trong Vũ trụ.
Vì vậy, tại tâm của lỗ đen có thể có một đốm vật chất siêu đặc, hoặc ít nhất là một hạt vật chất siêu đặc.
Người ta tin rằng không chỉ các lỗ đen ăn thịt lẫn nhau, mà sự ăn thịt đồng loại như vậy được cho là đã đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành các lỗ đen ‘siêu lớn’ dường như ẩn nấp trong trung tâm của mọi thiên hà.
Những lỗ đen như vậy có kích thước từ nhỏ như lỗ có khối lượng 2,6 triệu mặt trời ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta, cho đến những lỗ có khối lượng 10 tỷ mặt trời.
Không ai biết chính xác chúng hình thành như thế nào, nhưng có thể phỏng đoán rằng chúng được tạo ra bởi sự hợp nhất của các lỗ đen khối lượng sao trong loại cụm sao siêu dày đặc được cho là tồn tại trong lõi thiên hà.
Sau đó, các thiên hà va chạm và các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của chúng hợp lại với nhau. Quá trình này được cho là đã hình thành nên các thiên hà như Dải Ngân hà của chúng ta.