Liệu một ngày nào đó Trái Đất có bị tiêu diệt bởi một lỗ đen? Lo ngại về việc này vô cùng phổ biến, đến mức tôi thường xuyên nhận được câu hỏi từ cả học sinh của mình cũng như độc giả yêu khoa học ở nhiều nơi. Câu trả lời khá đơn giản, và nó sẽ giúp bạn hiểu một cách rõ ràng về một trong những nguyên lý tưởng như đơn giản nhất của tự nhiên.
Lỗ đen
Lỗ đen là những vùng không-thời gian bị uốn cong tới vô hạn và không cho bất cứ thứ gì đi ra từ phía trong. Chúng thường là kết quả cuối cùng sau khi một sao khối lượng lớn chết đi vào cuối đời, sau khi đã sử dụng hết lượng hydro để duy trì phản ứng nhiệt hạch và chống lại sự co lại. Loại lỗ đen phổ biến đó được gọi là lỗ đen khối lượng sao. Trong khi đó, ở trung tâm của hầu hết các thiên hà đã được quan sát, bao gồm chính thiên hà Milky Way của chúng ta, đều có một lỗ đen siêu nặng với khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần Mặt Trời. Các nhà khoa học cũng tin rằng còn có những lỗ đen khối lượng trung bình, nằm ở khoảng khối lượng giữa lỗ đen khối lượng sao và lỗ đen siêu nặng, tuy nhiên cho tới nay chúng vẫn chưa thực sự được tìm thấy.
Dù ở khoảng khối lượng nào, các lỗ đen đều có một đường biên được gọi là chân trời sự kiện, còn trung tâm là một điểm được gọi là kỳ dị - nơi tập trung hầu hết khối lượng của lỗ đen. Từ lâu, các nhà khoa học đã biết - về mặt lý thuyết - rằng một khi chạm tới chân trời sự kiện của một lỗ đen thì không có bất cứ thứ gì có thể thoát ra, kể cả ánh sáng - thứ có vận tốc lớn nhất trong vũ trụ.
(Độc giả có thể đọc kỹ hơn về lỗ đen qua bài "Lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu". Tôi cũng có một chương rất dài và chi tiết về đề tài này trong sách "Xa hơn Mây Oort: Tới ranh tới của không gian và thời gian".)
Câu hỏi và những lo lắng của nhiều người xuất hiện từ điểm nêu trên: Nếu như ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi lỗ đen thì có phải lỗ đen có thể nuốt hết mọi thứ và nếu có một lỗ đen gần Trái Đất thì nó sẽ nuốt chửng và nghiền nát chúng ta?
Hấp dẫn của lỗ đen không phải là vô hạn
Một qui kết phổ biến và ... vô cùng sai lầm mà rất nhiều người mắc phải (bao gồm cả một số tác giả viết sách và vô số phương tiện truyền thông, báo chí) là lực hấp dẫn mà lỗ đen tạo ra lớn vô hạn.
Không có thứ lực nào là vô hạn cả. Chẳng cần phải thuộc lòng bất cứ công thức nào mà chỉ cần nghĩ tới chính ý nghĩa đơn giản nhất của từ "vô hạn", bạn sẽ thấy ngay rằng một thứ lực vô hạn thì đồng nghĩa với việc nó bất chấp mọi khoảng cách về không gian và thời gian. Một lỗ đen có hấp dẫn vô hạn sẽ nuốt toàn bộ vũ trụ vào trong nó ngay khi nó ra đời. Và như vậy thì có nghĩa là vũ trụ đã phải sụp đổ ngay tức khắc sau khi hình thành, và chẳng có sao hay hành tinh nào hình thành.
Một phần bài giảng ngắn của VACA về hấp dẫn của lỗ đen. Bạn có thể tham khảo thêm các bài giảng và khóa học của VACA tại đây.
Vậy cái gì vô hạn?
Từ "vô hạn" mà bạn có thể thấy ở một số tài liệu chuẩn về vật lý khi người ta nhắc tới lỗ đen là sự vô hạn của độ cong không-thời gian khi kỳ dị của lỗ đen hình thành.
Về mặt toán học thì mọi việc có phần hơi phức tạp. Trong thuyết tương đối rộng, độ cong của không gian được mô tả bởi một số tensor, mà nếu một hoặc vài tham số của những tensor này tiến tới vô hạn thì kỳ dị sẽ xuất hiện. Tuy nhiên, việc này khá trừu tượng nếu bạn ít tiếp xúc với các phương trình của toán học, vì vậy tôi nghĩ bạn có thể hình dung một cách trực quan như sau:
Một mặt phẳng hoặc một đường thẳng lý tưởng được coi là có độ cong bằng 0. Uốn cong đi một chút, độ cong của chúng không còn là 0 nữa. Độ cong đạt tới vô hạn là khi bạn cuộn một mặt phẳng lại tới mức nó bị nén lại thành một điểm. Đó là điều xảy ra khi một kỳ dị hình thành - chẳng hạn, khi một lõi sao có khối lượng đủ lớn để co lại và sụp đổ vào cuối đời của ngôi sao.
Độ cong vô hạn của không-thời gian mà kỳ dị của một lỗ đen gây ra tạo thành một vùng không-thời gian bao quanh nó nơi mà mọi đường đi đều hướng vào bên trên trong, tức là đã chạm vào đó thì sẽ chỉ có một đường là đi vào phía trong mà không thể đi ra. Đường bao đó là cái mà chúng ta gọi là chân trời sự kiện.
Như vậy, từ "vô hạn" ở các tài liệu khoa học đã bị rất nhiều người hiểu nhầm, và một số trong đó diễn giải lại cách hiểu nhầm này vào những tài liệu phổ biến đại chúng khiến người đọc nhầm tưởng thành "lực hấp dẫn của lỗ đen lớn vô hạn". Hai thứ này rất khác nhau!
Hãy trở lại với lực hấp dẫn của lỗ đen
Định luật hấp dẫn mà Isaac Newton đã nêu ra từ cuối thế kỷ 17 đã cho chúng ta biết rằng hai vật thể bất kỳ đều gây ra lực hút lên nhau với độ lớn tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Công thức đó đã được kiểm chứng qua ít nhất là hàng vạn thí nghiệm và áp dụng vào hàng triệu công trình xây dựng, tàu thủy, máy bay và tên lửa vũ trụ, do đó việc nó đúng (về mặt tổng quát) là không có gì phải bàn.
Lỗ đen cũng không phải ngoại lệ. Ở bên ngoài chân trời sự kiện, lỗ đen hành xử y như một vật thể thông thường trong vũ trụ, tức là nó tác động lên những vật thể khác lực hấp dẫn tỷ lệ thuận với khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Chính vì thế mà trong rất nhiều hệ sao, khi một trong hai sao trở thành lỗ đen, nó và sao còn lại vẫn tiếp tục chuyển động quanh nhau (mặc dù quỹ đạo có thay đổi do khối lượng của ngôi sao không còn như cũ). Ở nhiều trường hợp, khí của sao đồng hành bị lỗ đen nuốt lấy dần dần do chúng ở quá gần nhau, nhưng trong nhiều trường hợp khác thì điều đó không xảy ra vì chúng cách nhau đủ xa và ngôi sao đồng hành có khối lượng đủ lớn để tự giữ chặt được khí của mình.
Giả sử rằng bạn thay Mặt Trời bằng một lỗ đen đã hình thành từ lõi của một ngôi sao có khối lượng gấp 4 lần Mặt Trời (khối lượng sau khi đã mất bớt vì vụ nổ supernova trước đó). Khi đó, lực hấp dẫn giữa Trái Đất và lỗ đen sẽ gấp 4 lần lực hấp dẫn hiện nay giữa Trái Đất và Mặt Trời. Nếu tạm không tính tới các hành tinh khác, thì bạn cần kéo Trái Đất ra xa gấp đôi, khi đó giá trị của lực hấp dẫn giữa hai thiên thể sẽ trở về như cũ. Nếu bạn thử tăng khối lượng của lỗ đen đó lên 1 triệu lần, tức là đặt vào đó lỗ đen siêu nặng Sagittarius A* ở trung tâm của thiên hà chúng ta (4 triệu lần khối lượng Mặt Trời), thì bạn sẽ phải kéo Trái Đất ra xa gấp 2000 lần khoảng cách hiện nay để giá trị của lực hấp dẫn không thay đổi.
Bất cứ thứ gì tới quá gần chân trời sự kiện của lỗ đen sẽ bị kéo giãn và xé rách, một hiệu ứng được gọi là spaghettification (hiệu ứng kéo mì/sự spaghetty hóa). Nhưng liệu nó có xảy ra với Trái Đất?
Trong tương lai, liệu có một lỗ đen sẽ hủy diệt Trái Đất?
Như bạn đã thấy ở trên, khi mà lực hấp dẫn của lỗ đen không phải vô hạn thì việc lo lắng rằng một lỗ đen nào đó trong thiên hà sẽ hủy diệt Trái Đất là hoàn toàn không cần thiết.
Tính tới khi tôi viết bài này (2023), lỗ đen gần nhất mà chúng ta đã biết là một lỗ đen có khối lượng gần 10 lần Mặt Trời, nằm trong hệ Gaia BH1, thuộc chòm sao Ophiuchus. Nó nằm cách chúng ta khoảng 1560 năm ánh sáng. Đó là một khoảng cách khiến cho giá trị của lực hấp dẫn giữa nó và Hệ Mặt Trời nhỏ tới mức chẳng cần phải tính đến.
Tất nhiên, bạn có thể nghĩ tới chuyện biết đâu lỗ đen này sẽ tiến về phía Trái Đất. Vậy thì các nhà thiên văn đã đo được vận tốc của hệ này là khoảng 23 km/s theo hướng đi ra xa khỏi chúng ta. Giả sử, hệ này, hoặc một hệ tương tự sẽ được tìm thấy trong tương lai, vì một lý do nào đó đang tiến về phía chúng ta với vận tốc bằng vận tốc mà toàn bộ Hệ Mặt Trời chuyển động quanh trung tâm của thiên hà, tức là khoảng 230 km/s, tương đương với 1 phần 1300 lần vận tốc ánh sáng. Trong trường hợp đó thì một hệ như Gaia BH1 hiện nay sẽ mất khoảng 2 triệu năm nữa để tới được Hệ Mặt Trời. Đó là một khoảng thời gian dài tới mức mà không ai có thể chắc chắn được rằng nhân loại còn tồn tại trên Trái Đất, khi xét tới việc nền văn minh của chúng ta mới bắt đầu vài nghìn năm trước, chiếc kính thiên văn đầu tiên mới ra đời được hơn 400 năm và tên lửa đầu tiên được phóng vào không gian mới cách đây chưa được 1 thế kỷ. Hơn nữa, đó chỉ là giả định ... bi quan nhất, vì thực tế là không có bất cứ hệ sao nào tiến về phía chúng ta theo cách đó cả. Tất cả các hệ sao (và vì thế cả các lỗ đen liên quan tới chúng) đều di chuyển quanh trung tâm của thiên hà bởi trường hấp dẫn chung của thiên hà, và khoảng trống trong không gian liên sao trên thực tế lớn hơn kích thước của các ngôi sao nhiều tới mức việc hai ngôi sao không cùng hệ ban đầu va chạm với nhau còn khó hơn việc bạn nhắm mắt bóp cò súng và trúng vào một con ong duy nhất đang bay ở cách xa vài kilomet.
Nếu có một lỗ đen ngay trên Trái Đất thì sao?
Có thể bạn từng nghe nói tới việc các nhà khoa học trong những năm qua đã có tham vọng tạo nên một lỗ đen trong LHC - máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới, được xây dựng bởi CERN (Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu). Điều đó dẫn tới lo ngại cho nhiều người khi đọc những mẩu tin rời rạc trên báo. Có lẽ một phần của những lo ngại này là vì đã có không ít bộ phim viễn tưởng (mà theo tôi toàn là loại B và C hay tệ hơn) vẽ ra những câu chuyện về thảm họa toàn cầu do tham vọng và sự bất cẩn của những nhà khoa học (nhất là về những vấn đề như vật lý hạt, vũ trụ học, cơ học lượng tử, ... - những thứ mà không nhiều người hiểu rõ, bao gồm cả biên kịch và đạo diễn). Để làm rõ hơn, đây là lúc chúng ta cần tới một vài công thức đơn giản.
Vào năm 1916, một nhà vật lý người Đức đã giải phương trình trường trong thuyết tương đối rộng của Einstein để tính ra một bán kính giới hạn mà nếu như một khối lượng cụ thể bị nén xuống dưới ngưỡng này thì nó sẽ sụp đổ và trở thành cái chúng ra gọi là lỗ đen. Nhà vật lý đó là Karl Schwarzschild (1873-1916). Bán kính mà ông tính ra sau này được gọi là bán kính Schwarzschild, nó có công thức như bạn thấy ở hình dưới.
Trong đó, RS là bán kính Schwarzschild, G là hằng số hấp dẫn (có giá trị là 6,67 x 10-11 Nm²/kg²), M là khối lượng của vật thể và c là vận tốc ánh sáng (3 x 108 m/s).
Giả sử người ta có một cách để nén ngọn núi lớn nhất thế giới là đỉnh Everest lại cho tới khi nó sụp đổ thành một kỳ dị và tạo ra lỗ đen. Ngọn núi này có khối lượng ước tính là khoảng 160 nghìn tỷ kg (16 x 1013 kg). Thay số vào công thức trên, bạn sẽ thu được bán kính Schwarzschild của ngọn núi này là khoảng 2,37 x 10-13 m (23 phần nghìn tỷ mét). Đây là kích thước nhỏ tới mức bạn còn chẳng thể có cách nào nhìn thấy nó. Và như vậy, khác với khi tính lực hấp dẫn của những vật thể lớn như Trái Đất, chúng ta có thể hoàn toàn bỏ qua kích thước của lỗ đen cực nhỏ này. Khi đó, với khối lượng vẫn giữ nguyên như nêu trên, áp dụng công thức hấp dẫn của Newton là F = Gm1m2/r², bạn thấy rằng lực hấp dẫn mà lỗ đen này tác động lên một người nặng 100 kg đứng cách nó đúng 100 mét là 106 N, tức là người này sẽ bị nó hút về phía mình với lực tương đương với khi bạn phải nhấc một quả tạ 10 kg lên để chống lại trọng lực của Trái Đất. Ở khoảng cách 500 mét, lực này chỉ còn tương đương với một cuốn sách nặng 400 gram mà bạn cầm trên tay.
Hiển nhiên, không ai định (và cũng còn lâu mới đạt tới trình độ) nén cả ngọn Everest lại cả. Ở máy LHC, người ta chỉ định tìm cách gia tốc cho các proton lên vận tốc đủ cao để khi chúng va chạm với nhau có thể gây ra sự sụp đổ và làm xuất hiện một kỳ dị. Loại lỗ đen này nhỏ tới mức không những lực hút của chúng chẳng thể lôi được bất cứ thứ gì ở đó vào, mà bức xạ Hawking sẽ khiến chúng bay hơi gần như ngay tức khắc. Việc làm đó chỉ để các nhà khoa học kiểm tra các mô hình lý thuyết và xem xem liệu ở năng lượng và vận tốc đủ cao, các hạt cơ bản có thể gây ra hiệu ứng tức thời tương tự sự sụp đổ của các ngôi sao hay không.
Tóm lại, như bạn thấy, câu chuyện về việc lỗ đen nào đó có thể hủy diệt hành tinh của chúng ta hoàn toàn không thể xảy ra (ít ra là trong hàng triệu năm tới), và bạn không có gì cần lo lắng về kịch bản đó.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
