Lỗ đen là một vùng mà vật chất bị nén đặc tới mức lực hấp dẫn giữ lại mọi thứ, kể cả ánh sáng. Nhưng nó không phải cái máy hút bụi vũ trụ: đứng ở xa, bạn bị một lỗ đen kéo đúng bằng một ngôi sao có cùng khối lượng. Chỉ khi tới quá gần thì mới không còn đường quay lại.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Lỗ đen là thứ nghe đáng sợ nhất trong vũ trụ, và phim ảnh đã làm nó đáng sợ thêm. Tập này mình kể lỗ đen là gì, vì sao nó không nuốt dần mọi thứ, và làm sao các nhà khoa học nghiên cứu một vật mà theo định nghĩa không ai nhìn thấy được.
Lỗ đen hình thành như thế nào?
Mỗi ngôi sao là một cuộc giằng co. Lực hấp dẫn của chính nó muốn ép nó co lại, còn năng lượng từ phản ứng hạt nhân trong lõi đẩy ra ngoài.
Khi một ngôi sao rất lớn, nặng gấp nhiều lần Mặt Trời, cạn nhiên liệu, phần đẩy ra biến mất. Lõi của nó sụp xuống dưới sức nặng của chính mình, trong khi lớp vỏ ngoài có thể bị thổi tung trong một vụ nổ cực sáng gọi là siêu tân tinh. Nếu lõi còn lại đủ nặng, không gì ngăn nó tiếp tục co lại. Kết quả là một lỗ đen.
Mặt Trời của mình không đủ nặng để đi con đường đó. Khi về già, nó sẽ phình to rồi co lại thành một ngôi sao nhỏ nguội dần, chứ không thành lỗ đen.
Ngoài những lỗ đen sinh ra từ sao, còn có những lỗ đen khổng lồ nặng hàng triệu tới hàng tỉ lần Mặt Trời nằm ở tâm các thiên hà. Chúng hình thành chính xác thế nào vẫn còn là một câu hỏi lớn đang được nghiên cứu.
Vì sao lỗ đen không hút mọi thứ từ xa?
Lực hấp dẫn phụ thuộc vào khối lượng và khoảng cách. Nó không quan tâm khối lượng đó là một ngôi sao to hay một lỗ đen nhỏ xíu. Ở cùng một khoảng cách, cùng một khối lượng thì lực kéo như nhau.
Hãy làm một phép thử trong đầu. Giả sử Mặt Trời bỗng bị thay bằng một lỗ đen đúng bằng khối lượng của nó. Trái Đất sẽ không bị hút vào. Nó vẫn đi đúng quỹ đạo cũ, vẫn một năm một vòng. Chỉ có điều trời sẽ tối và lạnh dần, vì không còn ánh nắng.
Cái đặc biệt của lỗ đen không phải là nó hút mạnh hơn từ xa, mà là nó đặc tới mức bạn có thể đến rất gần tâm của nó. Với một ngôi sao bình thường, bạn chạm bề mặt trước khi tới gần như vậy. Với lỗ đen, không có bề mặt để chạm, và càng vào gần, lực kéo càng tăng lên dữ dội.
Vì vậy các ngôi sao, hành tinh ở xa vẫn quay quanh lỗ đen như quay quanh bất cứ vật nặng nào, hàng tỉ năm, không bị nuốt.
Chân trời sự kiện: ranh giới không có đường về
Quanh mỗi lỗ đen có một ranh giới gọi là chân trời sự kiện. Vượt qua nó rồi thì ngay cả ánh sáng, thứ nhanh nhất vũ trụ, cũng không thoát được. Vì không có ánh sáng nào đi ra, nên nó đen.
Chân trời sự kiện không phải một bức tường. Một người rơi qua nó, theo tính toán, có thể không cảm thấy gì đặc biệt đúng lúc đi qua. Nhưng với lỗ đen cỡ ngôi sao, lực kéo ở chân và ở đầu người đó chênh nhau quá lớn nên cơ thể bị kéo dài ra như sợi mì.
Điều ngược đời là với lỗ đen khổng lồ, sự chênh lệch ở chân trời sự kiện lại nhỏ hơn, nên một người rơi vào có thể qua ranh giới mà chưa bị xé.
Còn ở chính giữa, nơi toán học nói vật chất bị nén vô hạn, là chỗ vật lý hiện tại chịu thua. Các nhà khoa học tin rằng cần một lý thuyết mới, gộp được lực hấp dẫn và thế giới lượng tử, mới hiểu được điều gì thật sự xảy ra ở đó.
Không phát sáng thì làm sao biết lỗ đen có thật?
Cách thứ nhất là nhìn những gì quanh nó. Ở trung tâm dải Ngân Hà, các nhà thiên văn theo dõi nhiều năm những ngôi sao quay cực nhanh quanh một điểm trống không. Từ quỹ đạo của chúng, họ tính ra ở đó có một khối lượng khoảng bốn triệu lần Mặt Trời, dồn trong một vùng nhỏ tới mức không thể là gì khác ngoài lỗ đen. Công trình này đã được trao giải Nobel vật lý.
Cách thứ hai là nhìn vật chất đang rơi vào. Khí và bụi xoáy quanh lỗ đen giống nước xoáy quanh lỗ thoát bồn rửa, cọ xát vào nhau và nóng lên cực độ, phát sáng rực. Nghịch lý là quanh những lỗ đen đang ăn lại có những thứ sáng nhất vũ trụ.
Cách thứ ba mới hơn: nghe. Khi hai lỗ đen quay quanh nhau rồi nhập làm một, chúng làm rung chính không gian, tạo ra sóng hấp dẫn. Các trạm đo cực nhạy trên Trái Đất đã bắt được những rung động nhỏ đó, đúng như Einstein dự đoán từ hơn một thế kỷ trước.
Và gần đây, một mạng lưới kính thiên văn vô tuyến trải khắp địa cầu đã ghép lại được hình ảnh cái bóng của lỗ đen: một vòng sáng quanh một vùng tối, đúng như lý thuyết mô tả.
Lỗ đen có sống mãi không?
Theo hiểu biết hiện nay, lỗ đen có thể không vĩnh cửu. Nhà vật lý Stephen Hawking đã tính ra rằng khi xét đến các hiệu ứng lượng tử, lỗ đen phải phát ra một chút bức xạ cực yếu và vì thế mất dần khối lượng. Người ta gọi đó là bức xạ Hawking.
Với lỗ đen cỡ ngôi sao, quá trình này chậm tới mức thời gian cần để bay hơi hết còn dài hơn tuổi vũ trụ hiện nay rất rất nhiều lần. Và cho tới nay, bức xạ này vẫn chưa được quan sát trực tiếp, vì nó quá yếu so với mọi thứ khác quanh lỗ đen.
Nên đây là một ví dụ đẹp về khoa học ở biên giới: một dự đoán có cơ sở toán học vững, được giới vật lý coi trọng, nhưng vẫn đang chờ bằng chứng quan sát.
Lỗ đen hấp dẫn không chỉ vì nó nuốt ánh sáng, mà vì ở đó những định luật mình tin nhất chạm tới giới hạn. Bạn nghĩ câu trả lời tiếp theo của vật lý sẽ đến từ nơi tối nhất vũ trụ chăng?
Câu hỏi thường gặp
Trái Đất có nguy cơ bị lỗ đen nuốt không?
Theo mọi quan sát hiện có, không có lỗ đen nào đủ gần để đe doạ Trái Đất. Lỗ đen gần nhất được biết cách chúng ta rất xa tính bằng năm ánh sáng, và lỗ đen không săn đuổi hay hút các vật ở xa mạnh hơn một ngôi sao cùng khối lượng.
Lỗ đen giữa dải Ngân Hà tên là gì?
Nó được gọi là Sagittarius A sao, theo tên chòm sao Nhân Mã nơi nó nằm khi nhìn từ Trái Đất. Khối lượng của nó khoảng bốn triệu lần Mặt Trời.
Lỗ đen có thật sự là một cái lỗ không?
Không. Nó không phải lỗ thủng trong không gian mà là một vật cực kỳ đặc với lực hấp dẫn cực lớn. Gọi là lỗ vì nhìn từ ngoài, nó giống một vùng tối nuốt mọi ánh sáng đi vào.
Máy gia tốc hạt có thể tạo lỗ đen nuốt Trái Đất không?
Các nhà vật lý đã phân tích kỹ khả năng này và kết luận không có nguy cơ. Tia vũ trụ năng lượng cao hơn nhiều vẫn va vào khí quyển Trái Đất suốt hàng tỉ năm mà không gây ra điều gì như vậy.
Chụp ảnh lỗ đen nghĩa là chụp cái gì?
Là chụp vòng khí nóng sáng rực quanh lỗ đen và cái bóng tối ở giữa. Bản thân lỗ đen không phát sáng, nên hình ảnh cho thấy đường viền nơi ánh sáng bị bẻ cong và bị nuốt.
