Lỗ đen làm dấy lên vô vàn tò mò cũng như bối rối cho các nhà khoa học. Khái niệm này nảy sinh từ những phương trình trong thuyết tương đối rộng của Eistein nhưng mãi gần đây mới thu hút được sự quan tâm đặc biệt.
Lỗ đen thường được miêu tả như những kẻ hủy diệt toàn năng luôn tóm lấy và nghiền nát mọi thứ xung quanh. Nhưng thật may mắn cho vũ trụ nói chung, điều này không hoàn toàn đúng.
Lỗ đen: Một sức hút không thể thoát được
Lỗ đen luôn có sức hấp dẫn đặc biệt với giới khoa học và cả công chúng. Những con quái vật vô hình này thi thoảng lại xé toạc các ngôi sao và làm vương vãi phần tàn dư ra không gian xung quanh. Nhưng lỗ đen ra đời từ đâu và bằng cách nào? Điều gì tạo nên khả năng hủy diệt ghê gớm đó? Trước khi bàn tới những câu hỏi trên, chúng ta phải giải đáp điều cơ bản nhất: Lỗ đen là gì?
 |
| Mô phỏng lỗ đen. |
Về căn bản, đó là một vật hay một điểm trong không gian mà lực hấp dẫn mạnh đến mức không gì thoát ra được. Hãy tưởng tượng xác của một ngôi sao đậm đặc đến mức chọc thủng cả kết cấu không - thời gian, ngấu nghiến bất kỳ vật chất nào dám bén mảng tới quá gần. Ngay cả thứ nhanh nhất vũ trụ là ánh sáng cũng phải chịu chung số phận.
Chính vì không có tia sáng nào từ bề mặt nó tới được với quan sát viên bên ngoài nên “lỗ” này mới được coi là “đen”. Thậm chí cả trí tò mò của nhân loại cũng không thể thoát được sức hút của lỗ đen, nên các nhà khoa học mới sẵn sàng bỏ bao công sức để tìm hiểu nó.
Những tiên đoán lý thuyết về lỗ đen
Vì sức hủy diệt của lỗ đen tới từ lực hấp dẫn cực mạnh của nó nên sẽ thật thiếu sót nếu nói về lỗ đen mà không đề cập tới lực hấp dẫn. Đây là lực được phát hiện sớm nhất trong bốn lực cơ bản của tự nhiên, là lực làm cho các vật có trọng lượng. Và nhà vật lý vĩ đại Isaac Newton là người đầu tiên đưa ra công thức để lượng hóa nó trong Định luật vạn vật hấp dẫn.
Theo Newton, lực hấp dẫn là lực hút hai vật về phía nhau, khiến quả táo rơi xuống đất và làm các hành tinh quay quanh mặt trời. Một vật có khối lượng càng lớn thì lực hấp dẫn càng mạnh.
 |
| Albert Einstein công bố thuyết tương đối rộng, tiên đoán về sự tồn tại của lỗ đen. |
Tuy nhiên, Albert Einstein lại không đồng ý với cách diễn giải này của Newton. Einstein thậm chí còn không coi “hấp dẫn” là một “lực”. Ông xem nó là sự uốn cong của bản thân không - thời gian. Một thiên thể nặng cỡ mặt trời của chúng ta sẽ tạo ra vùng trũng trong không - thời gian quanh nó, và chuyển động tự nhiên của Trái đất là do di chuyển quanh không gian bị cong xuống ấy.
Einstein đã công bố Thuyết tương đối rộng với thế giới trong một loạt bài giảng ở Berlin vào tháng 11/1915, và chính thuyết này đã tiên đoán về sự tồn tại của lỗ đen.
Thuyết tương đối rộng đã thay thế phương trình duy nhất trong Định luật vạn vật hấp dẫn bằng mười phương trình. Do đó, việc tìm nghiệm (tức tìm ra hình dạng của không-thời gian do một phân bố vật chất cho trước tạo ra) là cực kỳ khó khăn. Quả thực, điều này khó tới mức mà bất cứ ai tìm ra được một nghiệm thì tên người đó sẽ được đặt luôn cho nó. Điều cực kỳ ấn tượng là nghiệm đầu tiên đã được tìm ra sau khi Einstein công bố thuyết này chỉ vài tháng.
Người làm được điều kỳ diệu này là nhà toán học người Đức Karl Schwarzschild. Ông đã xem xét một khối lượng đối xứng cầu (như một ngôi sao), thực hiện các giả thuyết đơn giản hóa để giảm bớt nhiều phương trình của Einstein, và sửng sốt khi tìm ra phương thức tính chính xác độ cong của không - thời gian quanh vật đó. Ông đã gửi công trình của mình tới cho Einstein ở Berlin, và cha đẻ của Thuyết tương đối rộng cũng kinh ngạc không kém.
Nghiệm mà Schwarzschild đưa ra rất kỳ lạ. Cả hai nhà khoa học đều để ý rằng: Nếu khối lượng bị nén trong một thể tích cực nhỏ, không-thời gian sẽ bị uốn cong tới cực hạn, tạo ra một “cái giếng” không đáy mà không thứ gì (ngay cả ánh sáng) có thể thoát ra nổi. Để cái giếng đó xuất hiện, cần nén mặt trời vào một không gian có bán kính chỉ 3 km (trường hợp Trái đất còn nhỏ hơn rất nhiều, chỉ khoảng… 9 mm). Họ đều thấy điều này là rất vô lý nên đã bỏ qua tiên đoán về lỗ đen.
Về sau, nghiệm đầu tiên này được gọi là “nghiệm Schwarzschild” hay “bán kính tới hạn Schwarzschild”. Và tại một hội nghị ở New York năm 1967, nhà vật lý John Wheeler đã trình làng thuật ngữ “lỗ đen” để thay cho những tên gọi không đồng nhất trước đó.
Quá trình hình thành lỗ đen và cách tìm ra chúng
Khi các sao có khối lượng lớn lâm chung, nguồn hydro mà chúng dùng để hợp hạch thành heli gần như đã cạn kiệt. Trong cơn thèm khát năng lượng để duy trì sự sống, chúng điên cuồng hợp hạch heli thành những nguyên tử của những nguyên tố nặng hơn. Quá trình này cứ thế tiếp diễn cho đến sắt.
Lúc này, năng lượng cần để thực hiện phản ứng lớn hơn năng lượng do phản ứng sinh ra, nên không còn cung cấp đủ năng lượng để duy trì những lớp vỏ ngoài của ngôi sao nữa. Những lớp ngoài cùng này sụp đổ vào trong và rồi phát nổ ra ngoài dưới dạng một vụ nổ mạnh và sáng rực gọi là siêu tân tinh.
Nhưng một phần nhỏ của ngôi sao vẫn còn lại. Các phương trình của thuyết tương đối rộng dự đoán rằng nếu phần tàn dư này gấp khoảng ba lần khối lượng mặt trời của Trái Đất, thì vật chất tạo nên ngôi sao sẽ bị nén vào một điểm vô cùng nhỏ với mật độ vô hạn. Nói hoa mỹ một chút, lỗ đen là hình ảnh hoàn hảo của một con phượng hoàng lửa hồi sinh từ đống tro tàn (những ngôi sao chết).
 |
| Sách Stephen Hawking - Một trí tuệ không giới hạn cho biết thêm nhiều thông tin về lỗ đen. |
Lỗ đen có một chân trời sự kiện, điểm một đi không trở lại mà khi vượt qua đó thì không gì có thể quay đầu. Con người nhìn thấy một vật khi mắt ta nhận được ánh sáng từ vật đó truyền tới; và bởi ngay cả ánh sáng cũng bị chân trời sự kiện nuốt chửng nên ta không thể trực tiếp nhìn thấy một lỗ đen.
Nhưng điều đó không có nghĩa là không có cách phát hiện ra chúng. Các nhà khoa học có thể phát hiện ra lỗ đen bằng cách quan sát chuyển động của các sao và chất khí lân cận, cũng như vật chất bồi tụ từ vùng xung quanh nó.
Vật chất chuyển động xoắn ốc quanh lỗ đen, tạo thành đĩa bồi tụ. Vật chất này mất dần năng lượng, giải phóng tia X và các bức xạ điện từ khác trước khi vượt qua chân trời sự kiện.
Nhà vật lý người Mỹ John Wheeler đã đưa ra một hình ảnh rất trực quan về hệ sao đôi gồm một phần hữu hình và một vô hình (lỗ đen) là: Lỗ đen và bạn đồng hành khả kiến của nó giống như một đôi nam nữ đang khiêu vũ trong ánh đèn mờ tỏ của dạ tiệc. Tuy không thể thấy chàng trai mặc đồ đen (lỗ đen), nhưng cô gái đang xoay theo điệu nhạc (ngôi sao khả kiến) khiến ta nhận ra rằng họ đang được điều gì đó níu lại.
Đây là cách mà các nhà thiên văn học nhận ra Cygnus X-1 năm 1971. Cygnus X-1 là một bộ phận của một hệ sao đôi, trong đó sao siêu khổng lồ xanh HDE 226868 cực nóng và sáng (độ sáng cấp 9) đã tạo ra một đĩa bồi tụ quanh một thiên thể không nhìn thấy. Hệ sao đôi ấy phát ra tia X, bức xạ không thường được tạo ra bởi các sao siêu khổng lồ xanh.
Bằng cách tính toán tốc độ chuyển động và khoảng cách từ HDE 226868 tới Trái đất, các nhà thiên văn đã tính được khối lượng của thiên thể bất khả kiến. Mặc dù thể tích nhỏ hơn Trái đất, nhưng nó lại nặng gấp sáu lần mặt trời của chúng ta. Đây là bằng chứng thông qua quan sát đầu tiên về lỗ đen.
