Black hole

Lỗ đen là một khái niệm không còn quá mới lạ với hầu hết người yêu thích thiên văn và Vật lý. Bản thân tại website này cũng đã có một bài viết khá dài về lỗ đen của một người bạn tôi trước đây. Gần đây tôi tôi lại tiếp tục nhận được nhiều câu hỏi về lỗ đen và cả lỗ trắng, một khái niệm chưa quen thuộc lắm với mọi người. Trong bài này tôi sẽ cố gắng viết một cách ngắn gọn và dễ hiểu nhất có thể về những khái niệm này: lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu.

Với mục đích nêu trên, tôi sẽ tập trung đi sâu vào các ý chính mang tính nguyên lý và cơ chế, không lan man về các chuyện khác như lịch sử khám phá hay là dân tình nghĩ gì về những thứ này, mặt khác đi sâu vào các phương trình và mô hình hình học là quá phức tạp đối với phạm vi một bài ngắn này.

Lỗ đen

Dự đoán đầu tiên về lỗ đen (hay một số tài liệu tiếng Việt dịch là hố đen) bắt đầu từ rất sớm ngay sau khi thuyết tương đối rộng của Albert Einstein ra đời năm 1916. Lỗ đen được đề xuất bởi Karl Schwarzschild như một tiên đoán giải pháp cho không gian mô tả bởi phương trình trường của Einstein. Việc này nằm trên lý thuyết cho tới khi có khám phá về các sao neutron, minh chứng đầu tiên cho sự sụp đổ hấp dẫn sau khi các ngôi sao đốt cháy hết năng lượng của mình.

 
Sự hình thành và vài khái niệm cơ bản

Các lỗ đen thông thường hình thành theo cơ chế sau:
Khi các ngôi sao đốt cháy hết năng lượng của mình, chính xác là toàn bộ hydro đã kết hợp (phản ứng nhiệt hạch) để tạo ra Heli thì chúng không còn năng lượng giải phóng ra để cân bằng với lực hấp dẫn của bản thân hướng vào tâm nữa nên ngôi sao co lại.

Trong quá trình co lại này các hạt nhân Heli lại bị nén chặt và kết hợp tạo ra các hạt nhân nặng hơn (C, O hay hơn nữa), quá trình này giải phóng ra 1 lượng năng lượng làm cái vỏ ngoài phồng to (giai đoạn sao khổng lồ đỏ) trong khi lõi trong vẫn co lại rất nhanh.

Với các sao cỡ Mặt Trời, vỏ ngoài bị phá vỡ khi đã phồng to đến giới hạn nhất định, tạo thành một tinh vân hành tinh. Với các sao nặng, lõi trong bùng phát lần cuối do năng lượng giải phóng từ sự tổng hợp hạt nhân nặng ở lõi sao, đây là vụ nổ supernova (thường được dịch không chính xác ra tiếng Việt là siêu tân tinh), khí và bụi được ném ra từ vụ nổ dữ dội này tạo thành một tinh vân, được gọi là tàn dư của supernova.

Lõi trong sau vụ nổ này tiếp tục co thêm và trở thành sau lùn trắng với những sao như Mặt Trời, tức là chúng trở thành một thiên thể chết bức xạ rất ít, rồi dần tắt hẳn không còn phát ra ánh sáng nữa. Với các sao lớn hơn  khoảng 1,4 lần khối lượng Mặt Trời (giới hạn Chandrasekhar) thì chúng tiếp tục co lại, co tới mức ép các electron (điện tử) vào proton để trở thành neutron, khi đó toàn ngôi sao là một khối neutron với khối lượng riêng cực lớn và tốc độ quay cực cao, đó là các sao neutron. Những sao có khối lượng lớn hơn nữa, khoảng 2-3 lần khối lượng Mặt Trời hoặc hơn (giới hạn Tolman–Oppenheimer–Volkoff) thì quá trình co lại chưa kết thúc ngay cả khi đã trở thành sao neutron. Vật chất bị nén tới mức tạo ra một vụ sụp đổ...

Trường hấp dẫn mô tả trong thuyết tương đối rộng của Einstein là không gian chịu ảnh hưởng của hấp dẫn do sự có mặt của khối lượng (giống như điện trường quanh vật mang điện), khi vật chất mang khối lượng này sụp đổ (nhưng bản thân khối lượng không mất đi) nó kéo theo sự biến dạng của trường hấp dẫn, hay là sự biến dạng của không gian xung quanh. Một vùng không gian quanh ngôi sao chết lúc này bị uốn cong thành một vùng khép kín (có thể hình dung dễ hiểu là dạng một khối cầu)...

Ngôi sao như mô tả trên đã trở thành một LỖ ĐEN (black hole) và vùng không gian khép kín nêu trên gọi là chân trời sự kiện (event horizon) của lỗ đen. Toàn bộ vật chất của lõi ngôi sao sụp đổ vào một điểm trung tâm của chân trời sự kiện gọi là điểm kì dị (singularity). Gọi là kì dị, đơn giản là vì nó khong tuân theo các định luật vật lý mà chúng ta đã có, tương tự như việc vụ nổ Big Bang hình thành nên vũ trụ, vì đơn giản là các định luật vật lý hiện nay chỉ mô tả không-thời gian tổng quát của vũ trụ ngày nay thôi.

Lỗ đen siêu nặng

Đây là một loại lỗ đen đặc biệt. Nó là loại lỗ đen lớn nhất vũ trụ, có mặt ở khu vực trung tâm của hầu hết các thiên hà lớn đã biết ngày nay. Lỗ đen siêu nặng có khối lượng có thể dao động từ hàng trăm nghìn cho tới hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Khác với lỗ đen thông thường tạo thành từ cái chết của các sao nặng và có khối lượng tương đương các sao (thường gọi là lỗ đen khối lượng sao), lỗ đen siêu nặng được cho là có khối lượng lớn nhờ bồi tụ khí ở trung tâm thiên hà và hợp nhất nhiều lỗ đen. Mặc dù vậy, cơ chế chính xác của việc lỗ đen siêu nặng lớn lên hiện nay chưa được làm rõ. Có hai kịch bản cơ bản cho sự tạo thành loại thiên thể này. Kịch bản thứ nhất cho rằng các lỗ đen siêu nặng lớn lên từ lỗ đen ban đầu là lỗ đen có khối lượng khoảng vài chục tới 100 lần khối lượng Mặt Trời, sinh ra do sự sụp đổ hấp dẫn của các sao nặng và sau đó lớn lên nhờ sáp nhập với các lỗ đen khác và hút khí từ các sao lân cận. Tuy nhiên kịch bản này đòi hỏi lỗ đen phải lớn lên với tốc độ khác thường, do đó kịch bản thứ hai có vẻ khả dĩ hơn, nhất là khi cho tới năm 2016 đã có những phát hiện đầu tiên về giai đoạn đầu của những lỗ đen này. Theo kịch bản được ủng hộ hơn này, các lỗ đen siêu nặng không lớn lên nhanh khác thường mà bản thân chúng có khối lượng khởi điểm lớn (ít nhất 100.000 lần khối lượng Mặt Trời) do chúng không sinh ra từ sụp đổ vật chất cuối đời của sao mà sinh ra trực tiếp từ sụp đổ của các đám mây khí lớn. Ở trung tâm của thiên hà Milky Way có một lỗ đen siêu nặng, ở vị trí của nguồn bức xạ Sagittarius A*, nó có khối lượng khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt Trời.

Lỗ đen siêu nặng ở trung tâm thiên hà M87, được chụp bởi dự án Kính thiên văn Chân trời sự kiện (EHT) và công bố ngày 10/04/2019. Đây là bức ảnh đầu tiên được chụp trực tiếp về khu vực ngay phía ngoài của chân trời sự kiện của lỗ đen. Mọi hình ảnh khác bạn thấy trong bài này cũng như ở các tài liệu khác đều là hình ảnh mô phỏng.



Cơ chế của lỗ đen hiểu đơn giản như sau:

Vì không gian chứa trường hấp dẫn đã bị uốn cong như nêu trên, không một vật thể nào chạm tới chân trời sự kiện của lỗ đen còn có thể thoát ra ngoài kể cả ánh sáng.
Điều này giống với việc bạn gặp một đoạn đường cong mà dù muốn hay không bạn cũng sẽ phải đi theo nó vì đơn giản là bạn không thể đi thẳng được chứ không phải là vì bạn thấy một vài quán ăn hấp dẫn hay một cô gái xinh đẹp chờ cuối đoạn đường đó.

Do vậy việc ánh sáng cũng bị uốn cong khi đi gần lỗ đen và sẽ không thể thoát ra nếu nó lỡ chạm tới chân trời sự kiện không hề chứng minh một chút gì cho giả thiết hạt photon có khối lượng động như một số người thường nhầm tưởng.

Đó là với ánh sáng, còn với vật chất thông thường thì có một lưu ý rằng vì bên trong chân trời sự kiện của lỗ đen, lực hấp dẫn là lớn tới mức vô hạn, nên nó sẽ xé rách mọi vật có kích thước có thể lọt vào đó (có chăng chỉ chừa các hạt cơ bản). Mặc dù không loại trừ trường hợp có những đường hay những khe hở để cho phép ngoại lệ nhưng tới nay thì đó tạm thời vẫn chỉ tồn tại trên các tác phẩm viễn tưởng. Thực tế là chúng ta không có cơ may sống sót nếu bị lọt vào một lỗ đen, và cả các vật thể chúng ta mang theo cũng như vậy, sẽ chẳng có tàu thăm dò nào cho chúng ta biết điều gì xảy ra bên trong một lỗ đen.

Một câu hỏi thường gặp là: con người có thể quan sát thấy lỗ đen hay không?
Câu trả lời là không, vì đơn giản mắt chúng ta nhìn thấy các vật là do ánh sáng từ chúng đi tới, với lỗ đen nó không phát ra và cũng không phản xạ lại ánh sáng (vì ánh sáng đã bị nó nuốt hết khi tới gần) nên việc nhìn thấy một lỗ đen là không thể. Tuy vậy sự tồn tại của các lỗ đen vẫn được dự đoán dựa vào tương tác chúng tạo ra xung quanh, chẳng hạn như việc hút vật chất của sao đồng hành (nếu lỗ đen trước đây là một ngôi sao trong hệ gồm hai hay nhiều sao) hay hiệu ứng bẻ cong ánh sáng quan sát được (thấu kính hấp dẫn - gravitational lens)

Theo mô hình hiện tại về các thiên hà, tại trung tâm hầu hết các thiên hà đều có một lỗ đen với khối lượng cưc lớn (super massive black hole). Lỗ đen dạng này có khối lượng bằng hàng triệu hay thậm chí hàng tỷ lần Mặt Trời của chúng ta. Những lỗ đen này không tạo thành từ kết thúc của một ngôi sao, mà từ sự sup sụp vật chất qui mô lớn trong giai đoạn đầu của thiên hà, trong thời gian sau đó chúng tiếp tục nuốt chửng các sao và các lỗ đen nhỏ xung quanh để lớn lên như ngày nay.

Một câu hỏi quen thuộc khác về lỗ đen là: Vật chất và các thông tin chúng mang theo sau khi bị hút vào lỗ đen sẽ đi đâu?

Năm 1997, Stephen Hawking có một cuộc cá cược với John Preskill về việc các lỗ đen sẽ bốc hơi, tan biến trong không-thời gian mang theo toàn bộ thông tin chúng đánh cắp. Preskill thì là người tin rằng các thông tin không mất đi sau sự bốc hơi của lỗ đen. Tới năm 2004, Hawking đã thừa nhận thua cuộc cá cược này (tất nhiên chỉ là theo kết quả của các phương trình trên mô hình lý thuyết vì chúng ta chưa đủ khả năng và cũng không có cơ hội quan sát sự bốc hơi của bất cứ lỗ đen nào)

Nghi vấn cuối cùng

Một câu hỏi đáng lưu tâm mà bạn có thể đặt ra là: liệu lỗ đen có thực sự tồn tại hay những quan sát gián tiếp mà các nhà khoa học có được thực ra là một dạng đối tượng khác? Đây là câu hỏi hợp lý. Câu trả lời chung là: không có bất cứ nghiên cứu nào từng có cho phép chúng ta nhìn thấy lỗ đen, và trong tương lai nhiều năm tới cũng thế, vì đơn giản là tự lỗ đen không phát ra bất cứ bức xạ nào. Mặt khác, không có lỗ đen nào đủ gần chúng ta để có thể gửi các tàu thăm dò tới, và quan trọng hơn nữa là nếu một tàu thăm dò đi vào sát chân trời sự kiện của lỗ đen để kiểm chứng thì nó cũng đồng thời mất khả năng gửi thông tin về cho chúng ta.

Thế nhưng, giống như khi nhìn thấy ánh sáng hắt qua ô cửa sổ của một căn nhà lúc nửa đêm làm bạn biết chắc rằng có ít nhất một ngọn đèn đang sáng trong căn nhà đó, lỗ đen cũng được các nhà khoa học xác định bằng những hiệu ứng tương tự. Những hiệu ứng đã được phát hiện đó (sự bồi tụ vật chất, sóng hấp dẫn, ...) không thể tới từ bất cứ dạng thiên thể nào khác trong vũ trụ. Điều đó có nghĩa là nguồn gốc của những hiệu ứng đó phải là một thứ gì đó có đúng những tính chất như những gì mà các nhà khoa học dự đoán về lỗ đen. Trên thực tế, có những giả định khác lý giải cho những hiệu ứng đó, nhưng trong tất cả các giả định thì chỉ có mô hình lỗ đen đáp ứng được hầu hết mọi vấn đề được đăt ra. Vì thế các nhà khoa học hoàn toàn có thể kết luận rằng các lỗ đen thực sự tồn tại, hay nói cách khác khách quan hơn: vật thể gây ra những hiệu ứng đó có thể không giống những gì bạn tưởng tượng hay như trong những bộ phim viễn tưởng về lỗ đen, nhưng nó ở đó và nó khớp với mô hình mà khoa học dự đoán, nên nó được gọi là lỗ đen.

 

Sau đây, chúng ta hãy tham khảo một đối tượng lý thuyết khác:

Lỗ trắng

Khác với lỗ đen đã được kiểm nghiệm sự tồn tại ít ra là qua các hiệu ứng trực tiếp nó gây ra như đã nêu bên trên, lỗ trắng là một đối tượng lý thuyết thuần túy chưa hề được kiểm chứng bởi bất cứ quan sát thực nghiệm nào.

LỖ TRẮNG (white hole) là một khái niệm lý thuyết, có tính đối lập với lỗ đen. Lỗ trắng cũng có một chân trời sự kiện và một điểm kì dị ở trung tâm của nó. Nhưng trong khi lỗ đen chỉ cho vật chất đi qua chân trời sự kiện vào phía trong mà không cho đi ra ngoài thì lỗ trắng lại chỉ giải phóng các bức xạ ra phía ngoài chân trời sự kiện mà không cho chúng đi vào phía trong.

Một câu hỏi hay xuất hiện ở đây là như vậy là lỗ trắng chỉ đẩy ra chứ không hút vào, nó có phải một trường hơph phản hấp dẫn (anti-gravity)?
Câu trả lời là không. Lỗ trắng cũng có lực hấp dẫn và nó hút mọi thứ về phía nó, có điều tất cả sẽ bị chặn lại và phản xạ ngược lại khi chạm vào chân trời sự kiện của nó.

Lỗ trắng là một dự đoán khác dựa trên mô hình của Schwarzschild để cân bằng phương trình trường của Einstein, theo đó thì thông tin biến mất trong lỗ đen có thể được "tuồn" ra ngoài từ lỗ trắng. Lỗ trắng như vậy có thể nằm trong tương lai hay quá khứ của lỗ đen, sự đảo ngược quá trình của lỗ đen hoặc ở một không-thời gian hoàn toàn khác, một vũ trụ khác.

 


Ngược lại với lỗ đen, lỗ trắng chỉ cho vật chất đi ra chứ không đi vào



Những vấn đề gặp phải trong mô hình lỗ trắng thứ nhất là nếu như mô tả, thì nó có thể là quá trình ngược của lỗ đen, tức là nó đi ngược lại theo chiều của các quá trình vật lý, chính xác là nó vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, điều này là quá sức vô lý, và thứ hai là nếu nó thực sự tồn tại trong vũ trụ của chúng ta thì tốc độ giải phóng vật chất của nó sẽ làm nó biến mất chỉ trong một khoảng thời gian cực ngắn nên chúng ta chẳng có cơ hội nào quan sát thấy một lỗ trắng như dự đoán lý thuyết.

Một giải pháp cho tình huống này là lỗ trắng không nằm trong vũ trụ hiện nay của chúng ta mà phải ở một vùng không-thời gian khác hoặc một vũ trụ hoàn toàn khác. Vật chất nó được cung cấp và rồi phóng ra bên ngoài có thể đến tức lỗ đen ở không-thời gian khác qua một đường hầm chạy xuyên suốt không-thời gian hoặc thậm chí xuyên suốt các vũ trụ gọi là các lỗ sâu.

Lỗ sâu

Hình học Schwarzschild gợi ý rằng mô hình chuẩn cho lỗ đen và lỗ trắng tương ứng với phương trình trường của Einstein phải bao gồm hai vũ trụ (hay hai hệ không thời gian khác nhau) mà một bên chứa một lỗ đen và một bên chứa một lỗ trắng, nối liền nhau bởi một đường hầm gọi là LỖ SÂU (wormhole).

Sự ra đời của khái niệm này là một giải pháp cho các phương trình của Einstein, cũng như một phương án cho giả thuyết cầu Einstein-Rosen (Einstein-Rosen Bridge)

Chúng ta nên lưu ý lần cuối rằng: Lỗ sâu cũng như lỗ trắng vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, vì vậy thực tế chúng không thể tồn tài trong phần vũ trụ nhìn thấy của chúng ta. Tuy vậy trong thuyết tương đối rộng của Einstein thì thời gian có tính đối xứng (không có khái niệm xuôi hay ngược thời gian) nên mô hình này được chấp nhận. Có nghĩa là lỗ trắng và lỗ sâu nối chúng với các lỗ đen có thể tồn tại ở các vùng không-thời gian khác mà chúng ta không thể quan sát, hay thậm chí là trong một vũ trụ khác.

Với một khả năng không hoàn toàn vững chắc như nêu trên, lỗ sâu vẫn được đặt kì vọng một cách hết sức nhiệt tình bởi những người ... mơ mộng. Người ta tin rằng một lỗ sâu có thể giúp con người vượt qua không gian nhanh hơn cả ánh sáng (faster than light travel) bởi một công nghệ gọi là warp drive hay du hành về quá khứ hoặc tới tương lai (time travel), ...

 


Tàu không gian Dreadnought trong game chiến thuật Astro Empires sử dụng công nghệ warp drive để di chuyển giữa các thiên hà



Trong những năm gần đây, người ta cũng nhiều lần thử giải thích các hiện tượng bí ẩn như sự mất tích đột ngột của con người hay các con tàu, các chuyến bay ... rằng họ đã lạc vào một lỗ sâu mở ra ngay trên Trái Đất.
Tuy nhiên, xin nhắc lại rằng tất cả sự tồn tại của lỗ trắng và lỗ sâu tới nay vẫn chỉ tồn tại trên hình học Schwarzschild không hơn, và bản thân mô hình lý thuyết cũng cho thấy rằng rất khó có thể có sự tồn tại của những thứ này trong vũ trụ nhìn thấy của chúng ta.

Đặng Vũ Tuấn Sơn

Vui lòng ghi rõ tên tác giả và nguồn trích dẫn Thienvanvietnam.org khi bạn sử dụng bài viết này