những hiểu biết cơ bản về lỗ đen vũ trụ

Hãy t ưởn g t ượ
n g, đâ u đó trong thiên hà, xác c ủ
a m ột ngôi sao đậm đặc đến m ức nó ch ọc
ch ủng k ết c ấu c ủ
a không gian và th ời gian. Đậm đặc đến m ức nó nhai ng ấu nghi ến v ật
ch ất xung quanh ti ến t ới quá g ần, hút chúng vào c ơn cu ồng n ộc ủ
a l ực h ấp d ẫn mà ch ẳng
có gì, th ậm chí ánh sáng, có th ểthoát ra ngoài.

Ảnh minh họa: Sandbox Studio
Và một khi vật chất băng qua điểm không thể quay đầu, tức chân trời sự kiện, nó chuyển
động xoắn ốc một cách bất lực về phía một điểm nhỏ gần như vô hạn, một điểm tại đó
không-thời gian uốn cong đến m ức tất cả các lí thuyết của chúng ta sụp đổ: điểm kì dị.
Chẳng gì còn sống mà thoát ra ngoài.
Các lỗ đen nghe quá xa lạ để tin là có thật. Nhưng thật ra chúng khá phổ biến trong không
gian. Có hàng tá lỗ đen đã biết và có khả năng hàng triệu lỗ đen nữa trong Dải Ngân hà và
hàng tỉ lỗ đen đang ẩn náu ngoài kia. Các nhà khoa học còn tin rằng có thể có một siêu lỗ
đen tại tâm của hầu như mỗi thiên hà, kể cả thiên hà của chúng ta. S ự ra đời và động lực
học của những trận cuồng phong quái dị này của không-th ời gian đã khiến các nhà khoa
học cảm thấy bối rối trong hàng thế kỉ qua.


Ảnh minh họa: Sandbox Studio
Lịch sử của lỗ đen
Mọi chuyện bắt đầu ở nướ c Anh vào năm 1665, khi một quả táo từ trên cành cây r ơi xuống
đất. Quan sát từ khu vườn của ông tại Woolsthorpe Manor, Isaac Newton bắt đầu nghĩ về
chuyển động rơi của quả táo: một hướ ng tư duy mà hai thập niên sau đó kết thúc v ới kết
luận của ông rằng phải có một loại lực vạn vật nào đó chi phối chuyển động của quả táo và
đạn đại bác và cả các thiên thể. Ông gọi nó là l ực hấp dẫn.
Newton nhận ra rằng mọi vật có khối lượ ng đều sẽ có l ực hút hấp dẫn. Ông tìm thấy khi
khối lượ ng tăng thì lực hấp dẫn tăng. Để thoát khỏi lực hấp dẫn của một vật, bạn sẽ cần

đạt tới vận tốc thoát của nó. Để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất, bạn sẽ cần chuyển
động ở tốc độ chừng 11 km/s.


Chính nhờ khám phá các định luật hấp dẫn và chuyển động của Newton mà 100 năm sau,
Reverend John Michell, một nhà bác học ng ườ i Anh, đi t ới kết luận rằng nếu có một ngôi
sao khối lượ ng lớn hơn nhiều hoặc kích c ỡ nhỏ hơn nhiều so v ới mặt trời, thì vận tốc thoát
của nó có thể vượ t quá tốc độ ánh sáng. Ông gọi những vật thể này là “sao tối”. M ười hai
năm sau, nhà khoa học và toán học ngườ i Pháp Pierre Simon de Laplace đi t ới kết luận
tươ ng tự và đưa ra bằng chứng toán học cho s ự tồn tại của cái ngày nay chúng ta gọi là lỗ
đen.
Năm 1915, Albert Einstein công bố lí thuyết t ương đối tổng quát xem không gian và th ời
gian là một vật thể bốn chiều bị cong. Thay vì xem lực hấp dẫn là một lực, Einstein xem nó
là sự uốn cong của bản thân không gian và th ời gian. Một vật thể khối l ượ ng l ớn, ví dụ nh ư
mặt trời, sẽ tạo ra một vết lõm trong không thời gian, một cái giếng hấp dẫn, làm cho mọi
vật xung quanh, ví dụ như các hành tinh trong hệ mặt tr ời của chúng ta, đi theo một quỹ
đạo cong xung quanh nó.
Một tháng sau khi Einstein công bố lí thuyết này, nhà vật lí ng ười Đức Karl Schwarzschild
tìm thấy cái thú vị trong các phươ ng trình của Einstein. Schwarzschild tìm thấy một nghiệm
đưa các nhà khoa học đến kết luận rằng một vùng không gian có thể bị uốn cong đến m ức
nó tạo ra một cái giếng hấp dẫn mà chẳng vật nào có thể thoát ra ngoài.
Mãi đến năm 1967 thì những vùng bí ẩn này của không th ời gian m ới có được một tên gọi
thống nhất. Các nhà khoa học đã lóng ngóng v ới các tên gọi nh ư “sao sụp” hay “sao đóng
băng” khi nói về các biểu đồ của lực hấp dẫn không thể thoát ra. Tại một hội nghị ở New
York, nhà vật lí John Wheeler đã trình làng tên gọi “lỗ đen”.


Ảnh minh họa: Sandbox Studio
Cách tìm kiếm lỗ đen
Trong sự hình thành sao, lực hấp dẫn làm nén vật chất cho đến khi nó bị d ừng lại b ởi áp

suất nội của ngôi sao. Nếu áp suất nội không làm dừng quá trình nén, thì nó có thể đem lại
sự ra đời của một lỗ đen.
Một số lỗ đen được hình thành khi các ngôi sao khối lượ ng l ớn suy sụp. Nh ững lỗ đen
khác, theo các nhà khoa học, được hình thành rất sớm trong vũ trụ, khoảng một tỉ năm sau
Vụ nổ Lớn.
Không có giới hạn nào về mức đồ sộ của một lỗ đen, thỉnh thoảng nó lớn gấp hàng tỉ lần
khối lượ ng mặt trời. Theo thuyết tươ ng đối tổng quát, không có gi ới hạn nào cho m ức nhỏ
bé của các lỗ đen (mặc dù cơ học lượ ng tử đề xuất cái ngượ c lại). Các lỗ đen tăng trưởng


khối lượ ng khi chúng tiếp tục nuốt lấy vật chất xung quanh chúng. Các lỗ đen nhỏ bồi tụ vật
chất từ một ngôi sao đồng hành còn các lỗ đen l ớn thì thâu tóm bất kì vật chất nào tiến t ới
quá gần.
Các lỗ đen có chứa một chân trời s ự kiện, vượ t qua đó thì cả ánh sáng cũng không thể
thoát ra. Bởi vì chẳng có ánh sáng lọt ra ngoài, nên ta không thể nhìn thấy v ượt quá bề mặt
này của một lỗ đen. Nhưng chỉ vì bạn không thể nhìn thấy lỗ đen, điều đó không có nghĩa
là bạn chẳng thể phát hiện ra chúng.
Các nhà khoa học có thể phát hiện ra lỗ đen bằng cách nhìn vào chuyển động của các sao
và chất khí lân cận cũng như vật chất bồi tụ từ vùng xung quanh của nó. Vật chất này
chuyển động xoắn ốc xung quanh lỗ đen, tạo ra một cái đĩa phẳng gọi là đĩa bồi tụ. Vật chất
xoáy tít mất dần năng lượ ng và giải phóng b ức xạ ở dạng tia X và các b ức xạ điện t ừ khác
trướ c khi cuối cùng thì vượ t qua chân trời s ự kiện.
Đây là cách mà các nhà thiên văn học đã nhận ra Cygnus X-1 hồi năm 1971. Cygnus X-1
được tìm thấy là một bộ phận của một hệ sao đôi trong đó một ngôi sao cực nóng và sáng
gọi là sao siêu kềnh xanh đã tạo ra một đĩa bồi tụ xung quanh một vật thể không nhìn thấy.
Hệ sao đôi ấy phát ra tia X, bức xạ không th ường được tạo ra b ởi các sao siêu kềnh xanh.
Bằng cách tính toán ngôi sao có thể nhìn thấy đang chuyển động bao nhanh và ở bao xa,
các nhà thiên văn học đã có thể tính ra khối lượ ng của vật thể không nhìn thấy. Mặc dù nó
bị nén vào một thể tích nhỏ hơn Trái đất, nhưng khối l ượ ng của vật thể ấy gấp sáu lần mặt
trời của chúng ta.

Có một số thí nghiệm khác nhau nghiên cứu các lỗ đen. Kính thiên văn Chân tr ời S ự kiện
sẽ khảo sát các lỗ đen tại tâm của thiên hà của chúng ta và một thiên hà láng giềng, M87.
Độ phân giải của nó đủ cao để chụp ảnh chất khí phát sáng xung quanh chân tr ời s ự kiện.
Các nhà khoa học còn tiến hành lập bản đồ tiếng vọng, sử dụng kính thiên văn tia X để tìm
kiếm các chênh lệch thời gian giữa các b ức xạ đến t ừ nh ững n ơi khác nhau ở gần lỗ đen,
nhằm tìm hiểu quỹ đạo của chất khí và các photon xung quanh lỗ đen.
Đài thiên văn Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser, hay LIGO, tìm cách nhận dạng sự h ợp
nhất của hai lỗ đen, sự kiện sẽ phát ra bức xạ hấp dẫn, hay sóng hấp dẫn, khi hai lỗ đen
hợp nhất.


Ngoài các đĩa bồi tụ, lỗ đen còn có gió và các vòi vật chất c ực kì sáng phát ra t ừ chúng dọc
theo trục quay của chúng, bắn vọt vật chất và bức xạ ở gần tốc độ ánh sáng. Các nhà khoa
học vẫn đang tìm cách hiểu sự hình thành những vòi vật chất này.

Ảnh minh họa: Sandbox Studio
Cái chúng ta không biết
Các nhà khoa học còn biết rằng các lỗ đen thật ra không đen lắm nh ư ng ườ i ta t ừng
nghĩ. Một sốthông tin có thể thoát ra khỏi chúng. Năm 1974, Stephen Hawking cho công bố
các kết quả chứng minh rằng các lỗ đen phải phát xạ năng l ượ ng, hay phát bức xạ
Hawking.
Các cặp vật chất-phản vật chất liên tục được tạo ra trong khắp vũ trụ, kể cả ở bên ngoài
chân trời sự kiện của một lỗ đen. Thuyết lượ ng tử tiên đoán rằng một hạt có thể bị hút vào
trướ c khi cặp hạt có cơ hội hủy nhau, và hạt kia có thể thoát ra ở dạng b ức xạ Hawking.


Điều này mâu thuẫn với bức tranh thuyết tương đối tổng quát vẽ nên rằng lỗ đen là cái
chẳng gì có thể thoát ra được.
Nhưng khi một lỗ đen phát bức xạ Hawking, nó t ừ t ừ bốc h ơi cho đến cuối cùng thì nó biến
mất. Vậy chuyện gì xảy ra với toàn bộ thông tin đã mã hóa trên chân tr ời của nó? Thông tin

có thật sự biến mất không, vì như thế sẽ vi phạm cơ học lượ ng t ử? Hay nó được bảo toàn,
như cơ học lượ ng tử dự đoán? Một lí thuyết cho rằng bức xạ Hawking chứa toàn bộ thông
tin đó. Khi lỗ đen bốc hơi và biến mất, nó bảo toàn thông tin của mọi th ứ đã rơi vào trong
nó, phát xạ thông tin đó vào vũ trụ.
Lỗ đen đem lại cho các nhà khoa học cơ hội kiểm tra thuyết tươ ng đối tổng quát trong
những trườ ng hấp dẫn cực mạnh. Họ xem lỗ đen là một cơ hội để trả l ời một trong nh ững
câu hỏi lớn nhất trong lí thuyết vật lí hạt sơ cấp: Tại sao chúng ta không thể dung hòa c ơ
học lượ ng tử với thuyết tươ ng đối tổng quát?
Vượ t quá chân trời sự kiện, các lỗ đen uốn cong thành một trong nh ững bí ẩn tăm tối nhất
trong vật lí học. Các nhà khoa học không thể giải thích cái xảy ra khi các vật băng qua chân
trời sự kiện và chính xác xoắn ốc về phía điểm kì dị. Thuyết tươ ng đối tổng quát và cơ học
lượ ng tử xung đột và các phươ ng trình Einstein phát sinh các vô hạn. Các lỗ đen thậm chí
có thể tiềm chứa những cánh cổng mở sang nh ững vũ trụ khác mà ng ười ta gọi là lỗ sâu
đục và những dòng năng lượng và vật chất tuôn dữ dội gọi là lỗ trắng, mặc dù rất không có
khả năng vũ trụ cho phép tồn tại những cấu trúc này.
Đôi khi thực tại còn kì lạ hơn cả truyện viễn tưởng.