Hố đen kỳ bí - Phần 2 (Trần Văn Tính) pot

Hố đen kỳ bí
Phần 2

Nghiên cứu về hố đen
Hình mô tả đĩa gia tốc của lớp plasma quay xung quanh một hố đen
(ảnh của NASA).
Sự hình thành
Lý thuyết tương đối rộng (cũng như các lý thuyết hấp dẫn khác)
không chỉ nói rằng các hố đen có thể tồn tại mà còn tiên đoán rằng chúng sẽ
được hình thành trong tự nhiên khi có đủ khối lượng trong một vùng không
gian nào đó và trải qua một quá trình gọi là suy sập hấp dẫn. Vì khối lượng
bên trong vùng đó tăng lên, nên hấp dẫn của nó cũng mạnh lên, hay nói theo
ngôn ngữ của thuyết tương đối, không gian xung quanh bị biến dạng. Khi
vận tốc thoát tại một khoảng cách nhất định từ tâm đạt đến vận tốc ánh sáng,
thì một chân trời sự kiện được hình thành mà trong đó vật chất chắc chắn bị
suy sập vào một điểm duy nhất, tạo nên một điểm kỳ dị.
Các phân tích định lượng về điều này dẫn đến việc tiên đoán một ngôi
sao có khối lượng khoảng ba lần khối lượng Mặt Trời, tại thời điểm cuối
cùng trong quá trình tiến hóa hầu như chắc chắn sẽ co lại tới một kích thước
tới hạn cần thiết để xảy ra suy sập hấp dẫn (thông thường các ngôi sao co lại
chỉ dừng ở trạng thái sao neutron). Khi điều này xảy ra, không có bất kỳ lực
vật lý nào có thể ngăn cản sự suy sập đó, và một hố đen được tạo thành.
Sự suy sập của các ngôi sao sẽ tạo nên các hố đen có khối lượng ít
nhất gấp ba lần khối lượng Mặt Trời. Các hố đen nhỏ hơn giới hạn này chỉ
có thể được hình thành nếu vật chất chịu tác động của các áp lực khác ngoài
lực hấp dẫn của chính ngôi sao. Áp lực vô cùng lớn cần thiết để có thể gây ra
điều này có thể tồn tại vào những giai đoạn rất sớm của vũ trụ, có thể đã tạo
nên các hố đen nguyên thủy có khối lượng nhỏ hơn nhiều lần khối lượng
Mặt Trời.
Các hố đen siêu lớn có thể có khối lượng gấp hàng triệu, hàng tỷ lần
khối lượng Mặt Trời có thể được hình thành khi có một số lớn các ngôi sao

bị nén chặt trong một vùng không gian tương đối nhỏ, hoặc khi có một số
lượng lớn các ngôi sao rơi vào một hố đen ban đầu, hoặc khi có sự hợp nhất
của các hố đen nhỏ hơn. Người ta tin rằng điều kiện để các hiện tượng trên
có thể xảy ra ở một số (nếu không muốn nói là hầu hết) tâm của các thiên hà,
bao gồm cả Ngân Hà của chúng ta.
Quan sát hố đen

Vật chất rơi vào hố đen sẽ tập hợp lại với nhau tạo nên một đĩa gia tốc
quay rất nhanh và rất nóng xung quanh hố đen trước khi bị nó nuốt. Ma sát
xuất hiện tại những vùng lân cận đĩa làm cho đĩa trở nên vô vùng nóng và
được thoát ra dưới dạng tia X. Các tính toán khác tiên đoán các hiệu ứng
trong đó các luồng hạt chuyển động rất nhanh với vận tốc gần bằng vận tốc
ánh sáng được phóng ra ở hai trục của đĩa.
Lý thuyết cho thấy rằng chúng ta không thể quan sát hố đen một cách
trực tiếp bằng ánh sáng phát xạ hoặc phản xạ vật chất bên trong hố đen. Tuy
nhiên, các vật thể này có thể được quan sát một cách gián tiếp các hiện
tượng xung quanh chúng như là thấu kính hấp dẫn và các ngôi sao chuyển
động xung quanh một vật dường như vô hình.
Hiệu ứng đáng nghi ngờ nhất là vật chất rơi vào hố đen (giống như
nước đổ vào đường thoát nước) sẽ tập hợp lại với nhau tạo nên một đĩa gia
tốc quay rất nhanh và rất nóng xung quanh hố đen trước khi bị nó nuốt. Ma
sát xuất hiện tại những vùng lân cận đĩa làm cho đĩa trở nên vô vùng nóng
và được thoát ra dưới dạng tia X. Quá trình nung nóng này cũng vô cùng
hiệu quả và có thể biến 50% khối lượng của vật thể thành năng lượng bức
xạ, trái ngược với phản ứng nhiệt hạch, trong đó, chỉ khoảng vài phần trăm
khối lượng được biến thành năng lượng. Các tính toán khác tiên đoán các
hiệu ứng trong đó các luồng hạt chuyển động rất nhanh với vận tốc gần bằng
vận tốc ánh sáng được phóng ra ở hai trục của đĩa.
Tuy nhiên, các đĩa gia tốc, các luồng hạt chuyển động nhanh, các vật
thể chuyển động xung quanh một vật vô hình không chỉ có thể do hố đen

gây ra mà còn có thể do các vật thể khác như các sao neutron chẳng hạn, và
động lực học của các vật thể gần các "hố không đen" này rất giống như động
lực học của các vật thể xung quanh hố đen và việc nghiên cứu về chúng là
lĩnh vực nghiên cứu rất phức tạp và năng động hiện nay. Nó bao gồm ngành
vật lý plasma và từ trường. Do đó, trong phần lớn các quan sát về đĩa gia tốc
và chuyển động quỹ đạo chỉ cho biết về khối lượng của vật thể cô đặc mà
thôi, chứ không cho biết về bản chất của vật thể đó. Việc xác định vật thể đó
là hố đen yêu cầu các giả thuyết bổ sung là không có vật thể nào khác (hoặc
các hệ liên kết với vật thể) có thể nặng và cô đặc đến thế. Phần lớn các nhà
vật lý thiên văn chấp nhận rằng, trong trường hợp này, theo lý thuyết tương
đối rộng, bất kỳ vật nào có mật độ vật chất đủ cao đều phải co lại thành một
hố đen.
Một khác biệt quan sát quan trọng giữa các hố đen và các ngôi sao
đặc, nặng khác là bất kỳ vật chất rơi vào các vật thể nặng thì cuối cùng cũng
phải va chạm với vật thể đó với một vận tốc rất lớn, dẫn đến việc lóe sáng dị
thường của các tia X với cường độ rất mạnh cùng với các bức xạ khác. Cho
nên, nếu không có các lóe sáng bức xạ như thế xung quanh vật thể cô đặc thì
có thể được coi là bằng chứng để cho rằng nó là một hố đen, nơi mà không
có bề mặt để vật chất có thể va đập vào đột ngột.
Chúng ta đã tìm thấy hố đen chưa?

Nguồn tia X Cygnus X-1 được nhiều người cho rằng nó có thể là một
hố đen có khối lượng bằng 10 lần khối lượng Mặt Trời quay xung quanh
một ngôi sao kềnh xanh.
Ngày nay, có khá nhiều những bằng chứng thiên văn gián tiếp về hai
loại hố đen:
 Các hố đen khối lượng ngôi sao có khối lượng cỡ bằng các ngôi
sao bình thường (4 - 15 lần khối lượng Mặt Trời, và
 Các hố đen siêu nặng có khối lượng bằng một thiên hà.
Thêm vào đó, có một vài bằng chứng về các hố đen khối lượng trung

bình có khối lượng vài ngàn lần khối lượng Mặt Trời. Đây có thể là các hố
đen đang hình thành nên các hố đen siêu nặng.
Bằng chứng về các hố đen khối lượng ngôi sao chủ yếu được xác định
bằng các đĩa gia tốc với kích thước và vận tốc vừa phải mà không có quá
trình lóe sáng dị thường xuất hiện xung quanh các vật thể cô đặc. Các hố đen
khối lượng ngôi sao có thể tạo ra các đợt bùng nổ tia gamma mặc dù các đợt
bùng nổ này thường liên quan đến vụ nổ của các sao siêu mới hoặc các vật
thể khác không phải hố đen [5] [6].
Bằng chứng về các hố đen có khối lượng lớn hơn lần đầu tiên được
cho bởi các thiên hà bức xạ và các quasar do các nhà thiên văn vô tuyến phát
hiện ra những năm 1960. Sự chuyển đổi rất hiệu quả từ khối lượng thành
năng lượng nhờ ma sát trong đĩa gia tốc của một hố đen dường như là cách
giải thích duy nhất cho nguồn năng lượng gần như vô tận của các vật thể
này. Thực ra, việc đưa ra lý thuyết trên vào những năm 1970 đã hầu như loại
bỏ các chống đối cho rằng các quasar là các thiên hà xa xôi, tức là, không có
cơ chế nào có thể tạo một lượng năng lượng nhiều đến thế.
Từ các quan sát vào những năm 1980 về chuyển động của các ngôi
sao xung quanh tâm của thiên hà, người ta tin răng có những hố đen siêu
nặng có mặt ở tâm của phần lớn các thiên hà, ngay cả Ngân Hà của chúng ta.
Tinh vân Sagittarius A được coi là bằng chứng quan tin cậy nhất về sự tồn
tại của một hố đen siêu nặng tại tâm của dải Ngân Hà.

Luồng hạt chuyển động nhanh phát ra từ thiên hà M87 đựoc cho là
gây bởi một hố đen siêu nặng tại tâm của thiên hà đó.
Bức tranh hiện nay là tất cả các thiên hà đều có thể có một hố đen siêu
nặng ở tại tâm, và hố đen này nuốt khí và bụi ở vùng giữa thiên hà tạo nên
lượng bức xạ khổng lồ. Quá trình này tiếp tục cho đến khi không còn vật
chất nào ở xung quanh nữa. Bức tranh này giải thích hợp lý về sự vắng mặt
của nhiều các quasar gần đó. Mặc dù chưa hiểu về chi tiết, nhưng dường như
là sự phát triển của hố đen liên quan mật thiết với các thiên hà có hình dáng

tương tự hình cầu chứa nó như thiên hà hình e-líp, đám sao của thiên hà hình
xoáy ốc. Điều thú vị là không có bằng chứng nào về sự có mặt của các hố
đen nặng ở tâm các đám sao hình cầu, cho thấy sự khác biệt cơ bản giữa các
đám sao hình cầu với các thiên hà.
Hố đen siêu nhỏ
Việc hình thành các hố đen siêu nhỏ trên Trái Đất trong các máy gia
tốc đã được công bố (xem thêm [7]) nhưng chưa được kiểm tra. Cho đến
nay, người ta vẫn chưa tìm thấy bằng chứng về hố đen nguyên thủy.
Mô tả toán học
Các hố đen được tiên đoán từ lý thuyết tương đối rộng của Albert
Einstein. Đặc biệt là chúng xuất hiện trong nghiệm Schwarzschild, một trong
những nghiệm đơn giản và sớm nhất của các phương trình Einstein do Karl
Schwarzschild tìm ra vào năm 1915. Nghiệm này mô tả độ cong của không-
thời gian trong vùng lân cận một vật thể đối xứng hình cầu trong không gian,
nghiệm này là:
,
trong đó là góc khối chuẩn.
Theo nghiệm Schwarzschild, một vật đang bị lực hấp dẫn tác dụng sẽ
suy sập vào một hố đen nếu bán kính của nó nhỏ hơn một khoảng cách đặc
trưng được gọi là bán kính Schwarzschild. Dưới bán kính này, không-thời
gian bị cong đến nỗi bất kỳ ánh sáng được phát ra trong vùng này, bất kể
hướng được phát ra, sẽ đi vào tâm của hệ này. Vì lý thuyết tương đối không
cho phép bất kỳ vật thể nào chuyển động nhanh hơn ánh sáng, bất kỳ vật gì
nằm dưới bán kính Schwarzschild đều bị hút vào tâm tạo nên một kỳ dị hấp
dẫn, một vùng có mật độ vô hạn về mặt lý thuyết. Vì ngay cả ánh sáng cũng
không thể thoát được nên hố đen cổ điển là hoàn toàn đen.
Bán kính Schwarzschild được cho bởi công thức sau:
Trong đó G là hằng số hấp dẫn, m là khối lượng của vật thể, và c là
vận tốc ánh sáng. Đối với một vật thể có khối lượng bằng Trái Đất, bán kính
Schwarzschild của nó bằng 9 mili mét.

Mật độ trung bình bên trong bán kính Schwarzschild giảm khi khối
lượng của hố đen tăng, do đó, nếu hố đen có khối lượng Trái Đất có mật độ
là 2 × 10
30
kg/m
3
, mật độ của một hố đen siêu nặng có khối lượng bằng 10
9

khối lượng Mặt Trời có mật độ khoảng 20 kg/m
3
, nhẹ hơn nước! Mật độ
trung bình cho bởi
ì Trái Đất có bán kính trung bình là 6371 km, thể tích của nó sẽ giảm
4 × 10
26
lần để suy sập thành một hố đen. Một vật thể có khối lượng Mặt
Trời, bán kính Schwarzschild xấp xỉ 3 km, nhỏ hơn bán kính hiện nay của
Mặt Trời khoảng 700.000 km. Nó cũng nhỏ hơn đáng kể bán kính của Mặt
Trời sau khi đốt hết nguyên liệu hạt nhân, hay vào khoảng vài ngàn km. Các
ngôi sao nặng hơn có thể suy sập thành các hố đen khi kết thúc cuộc đời.
Các hố đen khác cũng có thể rút ra từ nghiệm các phương trình
Einstein như là nghiệm Kerr cho các hố đen quay, trong đó có một kỳ dị
vòng. Tiếp đến là nghiệm Reissner-Nordstrøm cho các hố đen tích điện.
Nghiệm Kerr-Newman cuối cùng thể hiện trường hợp hố đen quay tích điện.
Các khám phá mới
Năm 2004, người ta phát thu được một đám các hố đen, mở rộng tầm
hiểu biết của chúng ta về phân bố các hố đen trong vũ trụ. Phát hiện này làm
cho các nhà khoa học phải xem xét lại số lượng các hố đen trong vũ trụ.
Theo các tính toán, người ta tin rằng số lượng các hố đen nhiều hơn tính

toán trước đây đến năm bậc.
Tháng 7 năm 2004, các nhà thiên văn tìm thấy một hố đen khổng lồ
Q0906+6930, tại tâm của một thiên hà xa xôi trong chòm sao Đại Hùng
(Gấu Lớn, Ursa Major). Kích thước và tuổi của hố đen có thể cho phép xác
định tuổi vũ trụ [8].
Tháng 11 năm 2004, một nhóm các nhà thiên văn công bố khám phá
đầu tiên về hố đen khối lượng trung bình trong thiên hà của chúng ta, quay
xung quanh Sagittarius A ở khoảng cách 3 năm ánh sáng. Hố đen trung bình
này có khối lượng 1.300 lần khối lượng Mặt Trời nằm trong một đám gồm
bảy ngôi sao, có thể là tàn dư của một đám sao lớn bị phần tâm của thiên hà
tước đi phần lớn vật chất. (Tạp chí Nature)(bài gốc tiếng Anh). Quan sát này
có thể củng cố ý tưởng về các hố đen siêu nặng phát triển bằng hấp thụ các
hố đen và các ngôi sao nhỏ hơn.
Tháng 5 năm 2005, một ngôi sao kềnh xanh SDSS J090745.0+24507
được tìm thấy đang rời khỏi Ngân Hà với vận tốc gấp đôi vận tốc thoát
(0,0022 vận tốc ánh sáng). Người ta có thể lần theo lộ trình của ngôi sao đó
ngược trở lại tâm của thiên hà.
Mô hình thay thế
Một vài mô hình thay thế tương tự như hố đen nhưng có thể tránh
được điểm kỳ dị cũng được đưa ra. Nhưng phần lớn các nhà nghiên cứu
nhận xét các khái niệm này chỉ mang tính nhân tạo, vì chúng phức tạp hơn
nhưng lại không đưa ra các điểm khác biệt cơ bản với các hố đen. Lý thuyết
có triển vọng nhất là lý thuyết Gravastar.
Tháng 3 năm 2005, nhà vật lý George Chapline làm việc tại Phòng thí
nghiệm quốc gia Lawrence ở California cho rằng các hố đen không tồn tại,
và rằng các vật thể mà mọi người cho là các hố đen thực ra là các ngôi sao
năng lượng đen. Ông đưa ra kết luận này từ các nghiên cứu cơ học lượng tử.
Mặc dù đề xuất của ông không được đông đảo các nhà vật lý ủng hộ, nhưng
vẫn thu hút được nhiều quan tâm của công luận.