TIỂU LUẬN THIÊN VĂN LỖ ĐEN VŨ TRỤ

Tiểu luận thiên văn
Phần mở đầu
Vào đầu nhũng năm sáu mơi của thế kỷ hai mơi, các nhà thiên văn học đã biết
những ngôi sao có khối lợng lớn hơn khoảng năm lần khối lợng của mặt trời trở lên
đều có thể có lại và chuyển thành một đối tợng đợc gọi là lỗ đen. Từ hai mơi năm trớc
đó áp dụng các phơng trình Einstein của thuyết tơng đối rộng, ngời ta đã khẳng định
các đối tợng này sẽ cuộn không-thời gian vào quanh chúng và bằng cách đó khối lợng
của chúng sẽ tách rời khỏi vũ trụ. Nghĩa là theo các nhà khoa học một ngôi sao đủ
nặng và đặc có thể có trờng hấp dẫn mạnh tới mức không cho ánh sáng thoát ra đợc,
bất kỳ ấnh sáng nào phát ra từ bề mặt ngôi sao đều bị kéo ngợc trở lại trớc khi nó
truyền đi xa, còn những tia sáng đi sát gần phạm vi đối tợng này sẽ uốn cong tới mức
mọi phôtôn bắt đầu quay quanh nó với quỹ đạo khép kín và không bao giờ có thể chạy
thoát vào vũ trụ. Và chừng nào đối tợng cha phát ra ánh sáng thì nó phải đen. Năm
1969 nhà khoa học Mỹ tên là Wheeler đã đặt tên cho đối tợng là

lỗ đen-Black

hole.
Khi nghiên cứu lý thuyết về lỗ đen, các nhà khoa học đã khái quát tổng thể:
Lỗ đen vũ trụ là nơi mật độ vật chất vô cùng lớn nên lực hấp dẫn rất lớn. Vì vậy các
phôton bị lực hấp dãn giữ lại nếu nó xuất hiện, cho nên từ lỗ đen không có bức xạ nào
đi đến trái đất. Bất kỳ vật chất nào rơi vào trờng hấp dẫn của lỗ đen đều bị nó giữ chặt
lại và không có gì có thể thoát ra đợc.
Thế nhng, cách đây không lâu vào tháng 07/2004 nhà khoa học ngời Anh
Stephen Hawking, ngời đã đa ra rất nhiều kêt luận về lỗ đen trớc đó, ngời đă hoàn
thiện cho chúng ta lý thuyết vê lỗ đen vũ trụ lại có một lời cáo lỗi với toàn thể thế giới
khoa học. Rằng những nghiên cứu mới nhất của ông cho thấy: lỗ đen không bao giờ
đóng cửa hoàn toàn với vũ trụ bên ngoài và khi chúng toả nhiệt nhiều hơn thì lỗ đen
sẽ hé lộ dần những thông tin bên trong nó. Một lỗ đen có lối vào thì cũng sẽ có lối ra.
Nghĩa là bất cứ vật chất nào bị hút vào lỗ đen đều không thể biến mất nh trớc đây từng
nghĩ mà sẽ chuyển hoá thành một dạng vật chất mới có những đặc tính riêng của nó.

1


Tiểu luận thiên văn
Nh vậy là những thành công trớc đó khi nghiên cứu về lỗ đen sẽ bị phủ nhận. Và vì thế
hiện nay vấn đề lỗ đen có nhả vật chất hay không đang là vần đề gây nhiều tranh cãi
trong nền khoa học thiên văn thế giới.
Trong khi mọi ngời đang bàn luận về vấn đề lỗ đen vũ trụ , chúng ta sẽ bắt đầu
từ những nghiên cứu trớc đây đã đợc các nhà khoa học chấp nhận.
Lỗ đen là gì? Nó đợc tạo thành nh thế nào? Làm sao để phát hiện và quan sát lỗ
đen? Vai trò, ảnh hởng của lỗ đen?

2


Tiểu luận thiên văn

Phần nội dung:

lỗ đen

I. Lỗ đen đợc hình thành nh thế nào?
Chúng ta biết vòng đời của một ngôi sao bắt đầu khi một lợng lớn khí mà
phần nhiều là Hiđro bắt đầu co lại do lực hấp dẫn của chính mình, mật độ vật chất tăng
lên, các nguyên tử va chạm với nhau thờng xuyên hơn, vận tốc càng tăng dẫn tới khối
khí nóng dần lên. Nhiệt độ tăng dần cao tới mức đủ để xảy ra phản ứng nhiệt hạch
(giống nh trong nhà máy điện nguyên tử ), các nguyên tử Hiđro sẽ tự kết hợp với nhau
để tạo thành nguyên tử Helli. Phản ứng này lại sinh ra nhiệt lợng làm nhiệt độ cao dần
lên tới mức làm ngôi sao phát sáng, và làm tăng áp suất khối khí cho đến khi đủ để cân
bằng với lực hấp dẫn, khối khí sẽ ngừng co lại. Nhiệm vụ của chúng khi đó là phát

sáng. Sau một thời gian ổn định lâu dài các ngôi sao sẽ dùng hết khí Hiđrô và các
nhiên liệu hạt nhân của nó, nó sẽ lạnh đi và co lại. Ngôi sao sẽ co lại đến đâu? Câu trả
lời là nó sẽ co lại đến bán kính hấp dẫn của nó.
Bán kính hấp dẫn là gì?
Theo định luật vạn vật hầp dẫn, lực hấp dẫn giữa hai vật tỉ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách giữa chúng. Nh vậy là khi mà khoảng cách giảm tới không thì lực
hấp dẫn sẽ lớn đến vô cùng.
Theo thuyết tơng đối, lực hấp dẫn của vật có khối lợng M lên một vật khác sẽ
tăng đến vô cùng không phải khi khoảng cách giảm tới không mà khi tới một giá trị
nhất định

Rg =

2GM
. Mặt cầu bán kính Rg bao xung quanh vật M đợc gọi là mặt
c2

cầu hấp dẫn còn Rg đợc gọi là bán kính hấp dẫn của vật M.

3


Tiểu luận thiên văn
Chúng ta xét một ngôi sao khối lợng M co đến bán kính bằng bán kính cầu
2

Mo g
hấp dẫn của nó khối lợng riêng trung bình của nó sẽ là = 2.10
.
M cm 3
16

Giả sử mặt trời co tới bán kính cầu hấp dẫn của nó R g=2,96km thì
=2.1016 g/cm3, rất lớn so với khối lợng riêng hạt nhân nguyên tử =1014g/cm3 vật
chất ở trạng thái nh vậy là không thực. Thế nhng với những ngôi sao có khối lợng lớn
hơn nhiều so với khối lợng mặt trời thì khối lợng riêng của nó khi co lại sẽ bé hơn khối
lợng riêng của hạt nhân. Ta có thể giả thiết trong một số điều kiện nhất định sao có thể
co đến kích thớc bằng bán kính cằu hấp dẫn của nó. Và khi ngôi sao co đến kích thớc
bằng bán kính cầu hấp dẫn, trờng hấp dẫn ở bề mặt của nó trở nên mạnh tới mức
không có gì có thể thoát ra khỏi nó. Trờng hấp dẫn của ngôi sao này sẽ làm thay đổi đờng truyền của tia sáng trong không- thời gian so với đờng truyền của tia sáng khi
không có mặt ngôi sao.
Theo thuyết tơng đối của Einstein vận tốc ánh sang là lớn nhất, không có vận
tốc nào lớn hơn vận tốc ánh sáng, dẫn đến một hệ quả là quanh ngôi sao đó không chỉ
có sự biến đổi về đặc tính không gian mà còn ảnh hởng cả nhịp độ thời gian. Chúng ta
biết rằng ở trong thuyết tơng đối không có khái niệm thời gian tuyệt đối, đo thời gian
xảy ra một sự kiện ở hai nơi khác nhau sẽ khác nhau.
Ta có t là khoảng thời gian giữa hai sự kiện xảy ra trên một thiên thể khối lợng
M bán kính r. Còn t là khoảng cách thời gian xảy ra hai sự kiện đó nhng đợc đo tại
một nơi khác cách xa thiên thể. Từ hệ quả của phép biến đổi Lorenzt ta đợc:
t ' =

t
v 2 . Vận tốc tối thiểu để một vật m thoát ra khỏi vật M là v =
1 2
c

Từ đó suy ra

t ' =

t

t
=
2GM
R
1
1 g
2
rc
r

4

2GM
.
r


Tiểu luận thiên văn
Khi r rất lớn so với Rg thì t=t.
Nhng khi r tiến tới Rg thì t sẽ lớn vô cùng.
Nh vậy là khi thiên thể có bán kính co rút tới gần trị số bán kính hấp dẫn của nó
thì toạ độ thơì gian vô cùng lớn. Thời gian sẽ kéo dài mãi mãi.
Đối với một ngôi sao bình thờng phát ra bớc sóng 0=cT0 (T0 là chu kỳ sóng),
nếu có bán kính r= Rg thì chu kỳ T0 tiến đến vô cùng. Nghĩa là bớc sóng là vô cùng,
tức là sẽ không có sóng điện từ nào đợc phát ra.
Một khi ánh sáng không thoát ra thí không có gì có thể thoát ra đợc, tất cả đều
bị trờng hấp dẫn của ngôi sao giữ lại. Ta sẽ có một tập các sự cố tức là một vùng trong
không thời gian mà không có gì có thể thoất ra khỏi nó, vùng mà chúng ta nói đến đó
chính là lỗ đen.
Khi lỗ đen hình thành, xung quanh nó xuất hiện một mặt giới hạn - đờng chân

trời- ngăn cách giữa phần còn lại của vũ trụ và vùng không gian trong đó không - thời
gian biến dạng mạnh đến mức không có gì có thể thoát ra đợc.
Ngoài những lỗ đen đợc hình thành do sự tự co lại của các ngôi sao có khối lợng
lớn hơn rất nhiều khối lợng của mặt trời, vẫn còn một khả năng khác đợc xem xét là có
sự tồn tại của những lỗ đenvới khối lợng rất nhỏ so với khối lợng mặt trời. Những lỗ
đen nh thế không thể hình thành bởi sự co lại hấp dẫn bởi vì khối lợng của chúng rất
thấp. Các sao có khối lợng thấp có thể tự nó chống chọi với lực hấp dẫn, thậm chí cả
khi chúng hết sạch nguyên liệu hạt nhân. Do vậy những lỗ đen có khối lợng thấp chỉ
có thể đợc hình thành khi vật chất của nó đợc nén với mật độ cực lớn bởi một áp lực rất
cao từ bên ngoài. Khả năng khách quan nhất là những lỗ đen này đợc hình thành dới
nhiệt độ và áp suất rất cao ở giai đoạn đầu của vũ trụ. Đó là những lỗ đen nguyên
thuỷ.
Lý thuyết đã cho ta thấy cái gọi là sự tồn tại của lỗ đen. Thế còn thực nghiệm thì
sao, làm thế nào để phát hiện và quan sát lỗ đen?
II. Sự phát hiện và quan sát lỗ đen:

5


Tiểu luận thiên văn
Lỗ đen ,vùng của không-thời gian từ đó không có gì có thể thoát ra đợc. mạnh.
Làm sao có thể quan sát đợc lỗ đen khi mà không có sóng điện từ nào phát ra? Thực
tế lỗ đen không phát ra thứ gì nhng nó vẫn tác dụng lực hấp dẫn lên các vật xung
quanh. Do vậy chúng ta có thể quan sát lỗ đen nếu nó là thanh viên của một sao đôi.
Khi quan sát thấy một ngôi sao chuyển động quanh một vật thể không nhìn thấy.
Vật thể ấy có thể là một sao lùn trắng rất già, một sao nơtron đã chết hoặc một lỗ đen.
Nhng nếu vật thể không nhìn thấy đó có khối lợng lớn hơn 5 lần khối lợng mặt trời thì
nó chỉ có thể là một lỗ đen.
Trong trờng lực mãnh liệt của lỗ đen vật chất của sao vệ tinh bị cuốn hút chuyển
động dọc theo quỹ đạo xoắn ốc, bị nung nóng lên đến nhiệt độ hàng chục triệu độ và

trở thành một nguồn bức xạ tia Rơghen cực mạnh. Chúng ta có thể quan sát lỗ đen nhờ
bức xạ Rơghen này, khi đặt máy thu tia X trên các trạm vũ trụ.
Những nghiên cứu cho thấy bằng cách này các nhà khoa học đã có nhiều bằng
chứng xác nhân có sự tồn tại của lỗ đen trong vũ trụ. Có hàng trăm lỗ đen trong thiên
hà chúng ta.
Dẫn chứng tiêu biểu nhất là hệ thống Cygnus, một chòm sao trong thiên hà của
chúng ta có một nguồn phát tia X rất mạnh đợc gọi là Cyg X-1 (vào năm 1971). Giải
thích về nguồn phát tia X này là vì vật chất bị cuốn ra khỏi bề mặt của sao nhin thấy và
rơi về phía vật thể đồng hành không nhìn thấy, nó phát triển thành chuyển động hình
xoắn ốc, trở nên rất nóng và phát ra tia X. Muốn cho cơ chế này hoạt động, vật thể
đồng hành không nhìn thấy phải rất nhỏ, giống nh sao lùn trắng, sao nơtrôn hoặc lỗ
đen. Những tính toán cho thấy vật thể không nhìn thấy đó có khối lợng cỡ gấp 6 lần
khối lợng mặt trời và chắc chắn nó là một lỗ đen.
Những công trình nghiên cứu gần đây cũng đã đa ra một số bằng chứng về một số
lỗ đen khác trong hệ thống giống nh hệ thống Cygnus trong thiên hà của chúng ta và
thiên hà lân cận có tên là Magellanic Clouls.

6


Tiểu luận thiên văn
Thông báo ngày 19/07/2001 của các nhà khoa học Mỹ cũng cho biết, có thể có
một lỗ đen với khối lợng trung bình đang ẩn náu ở thiên hà M33, thiên hà M33
Thiên hà hàng xóm chúng ta. Nằm cách trái đất 3 triệu năm ánh sáng.
Một thông tin nữa là gần đây các nhà khoa học của trờng đại học Stanfordroge
(Romani) quan sát đợc một lỗ đen nầm ỏ trung tâm dải Ngân Hà, lỗ đen có tên
Q0906+6930. Trọng lợng của nó bằng trọng lợng tất cả các vì sao trong dải ngân hà.
Tuổi thọ của nó đợc hình thành chỉ một tỉ năm sau khi vũ trụ hình thành và là một lỗ
đen lớn tuổi nhất mà loài ngời tìm thấy đợc.
Ngày 16/04/2004. Một trạm vũ trụ tự động của Châu Âu và Mỹ đã phát hiện ra

Lỗ đen

Tia X
Sao nhìn thấy
một lỗ đen đang xé xác một ngôi sao nhờ các bức xạ hãm có tia X phát ra.
Ngoài việc phát hiện ra sự tồn tại của lỗ đen nhờ bức xạ X phát ra khi lỗ đen xé
xác một ngôi sao, còn có một phơng pháp nữa là dùng hiện tợng thấu kính hấp dẫn để
phát hiện và quan sát hốc đen trong vũ trụ.
Thấu kính hấp dẫn là gì?
Hai năm, sau ngày thuyết tơng đối rộng Einstein ra đời, ngày 28/05/1919 tại Chilê
xảy ra hiện tợng nhật thực toàn phần. Hai đoàn các nhà khoa học đợc cử đến từ Châu
âu đã quan sát một hiệm tợng.
Khi cha có nhật thực toàn phần một số ngôi sao trên bầu trời có toạ độ i , i. Nhng khi xảy ra hiện tợng nhật thực toàn phần, quan sát các toạ độ những ngôi sao này
lại thay đổi là i , i. Sở dĩ nh vậy là do có một vật thể có sức hút mạnh tới mức bẻ
cong ánh sáng từ các ngôi sao phát ra trên đờng truyền đi gần tới vật thể. Vật thể mà
7


Tiểu luận thiên văn
có thể bẻ cong ánh sáng đó gọi là thấu kính hấp dẫn.Thấu kính hấp dẫn có thể là một
lỗ đen, có thể là một thiên hà, một sao nơtron. Và để biết đợc liệu nó có phải là một lỗ
đen hay không lại cần phải có những kiểm chứng khoa học.
III.

S1

S

Thấu kính hấp dẫn
S2

Vai trò, ảnh hởng của lỗ đen:
Nh vậy là việc lỗ đen tồn tại trong vũ trụ là không còn nghi ngờ gì nữa. Nhng
việc phất hiện ra lỗ đen đóng vai trò gì trong nghiên cứu thiên văn và trong vật lý học?
Các nhà khoa học cho biết trong thiên hà của chúng ta có rất nhiều lỗ đen. Lực
hấp dẫn cộng thêm những lỗ đen có thể giải thích đợc tại sao thiên hà của chúng ta lại
quay với tốc độ nh hiện có. Bởi vì thực tế khối lợng của các sao không đủ để cho thiên
hà quay. Chúng ta đã có một số bằng chứng cho thấy có một lỗ đen rất lớn nằm ở tâm
thiên hà của chúng ta với khối lợng lớn hơn khối lợng mặt trời hàng trăm triệu lần.
Các ngôi sao đi tới gần lỗ đen bị xé tan do sự khác biệt về hấp dẫn giữa phía gần và
phía xa nó. Điều đó giúp ta giải thích rõ một phần tại sao thiên hà của chúng ta lại có
cấu trúc xoắn ốc và quanh quanh tâm của nó.
Năm 1976 Stephen Hawking đã phỏng đoán rằng sau khi hình thành, một lỗ đen
sẽ mất dần khối lợng do các quá trình bức xạ năng lợng của nó. Bức xạ đó đợc gọi là
bức xạ Hawking, nó không chứa thông tin vật chất bên trong lỗ đen.
Sự tồn tại bức xạ phát ra từ lỗ đen cho thấy rằng sự co lại do hấp dẫn cha phải
là chấm hết và không thể đảo ngợc lại thời gian nh chúng ta đã nghĩ. Nếu chúng ta rơi
vào một lỗ đen thì khối lợng của chúng sẽ tăng nhng cuối cùng năng lợng tơng đơng

8


Tiểu luận thiên văn
với khối lợng đó sẽ đợc trả lại vũ trụ dới dạng bức xạ. Và cấu tạo các hạt vật chất tạo
nên chúng ta sẽ khác với những hạt vật chất cuối cùng còn lại ở lỗ đen.
Nh vậy là đặc điểm chung còn lại đó là khối lợng và năng lợng. Stephen Hawking cho
rằng đến cuối đời lỗ đen tức là khi mà lỗ đen bức xạ gần hết năng lợng và trở nên cực
nhỏ, lỗ đen sẽ biến mất mang theo toàn bộ thông tin vật chất bên trong nó ra khỏi vũ
trụ của chúng ta. Song điều này sẽ mâu thuẫn với các định luật vật lý lợng tử theo đó
thông tin trong lỗ đen không bao giờ biến mất hoàn toàn. Để giải thích điều này ông

cho rằng trờng hấp dẫn cực mạnh của các lỗ đen đã vô hiệu hoá các định luật vật lý lợng tử.
Nếu nh có sự tồn tại của những lỗ đen nguyên thuỷ, nó sẽ cho chúng ta những
thông tin quan trọng về giai đoạn đầu rất sớm của vũ trụ. Nếu vũ trụ ở giai đoạn đầu
rất sớm là hỗn loạn và bất thờng hoặc nếu áp suất vật chất là thấp thì có thể nghĩ rằng
nó đã tạo ra nhiều lỗ đen nguyên thuỷ hơn là giới hạn xác lập từ việc quan sát bức xạ
Hawking. Những lỗ đen nguyên thuỷ với khối lợng ban đầu cỡ hàng triệu tấn sẽ có
thời gian sống xấp xỉ tuôỉ của vũ trụ. Nếu phát hiện ra nó thì việc nghiên cứu vũ trụ sẽ
càng thêm ý nghĩa.

9


Tiểu luận thiên văn

Phần kết luận
Chúng ta đang sống trong một thế giới làm chúng ta phải trầm t suy nghĩ.
Chúng ta muốn gán cho mọi vật xung quanh một ý nghĩa nào đó và đặt ra hàng vạn
câu hỏi. Bản chất của vũ trụ là gì? Loài ngời đóng vai trò nh thế nào trong vũ trụ? Tại
sao lại có sự tồn tại của vũ trụ?Để trả lời những câu hỏi đó tr ớc hết chúng ta phải
hoàn thiện đợc bức tranh toàn cảnh về vũ trụ. Trong bức tranh đó sự tồn tại của cái đợc
gọi là lỗ đen không còn nghi ngờ gì nữa. lúc này lỗ đen đang là một vấn đề gây
tranh cãi trong thế giới khoa học.
Liệu lỗ đen có làm cho một vật thể biến mất trong đó nh chung ta đã nghĩ hay
không khi mà ai cũng biết vật chất chỉ có thể chuyển hoá tứ dạng này sang dạng khác
mà không thể bị mất đi hoàn toàn. Hay nó sẽ giống nh giả thuyết mới đợc đa ra từ
Stephen Hawking. Lỗ đen không bao giờ đóng của hoàn toàn với vũ trụ bên ngoài,
và nó sẽ hé lộ dần những thông tin về vật chất bên trong nó, một lỗ đen có lối vào thì
cũng sẽ có lối ra?
Nhng cho dù nh thế nào việc phát hiện ra sự tồn tại của lỗ đen trong vũ trụ vẫn
khẳng định tính đúng đắn của thuýêt tơng đối Einstein và nó khẳng định tính đúng đắn

của các công trình nghiên cứu lý thuyết. Nó khiến các nhà khoa học trên thế giới phải
dày công suy nghĩ và tốn nhiều bút mực, thúc đẩy nền khoa thiên văn phát triển mạnh
mẽ hơn. Nh vậy chúng ta thấy lỗ đen đóng vai trò rất to lớn giúp chúng ta giải thích rõ
hơn những hiện tợng trong vũ trụ, giúp hoàn thiện hơn về bức tranh toàn cảnh vũ trụ
của chúng ta.

10


Tiểu luận thiên văn

Mục lục
Trang
Phần mở đầu..1
Phần nội dung...3
I.Lỗ đen đợc hình thành nh thế nào?3
II.Sự phát hiện và quan sát lỗ đen.5
III. Vai trò và ảnh hởng của lỗ đen..7
Phần kễt luận10

11