Lỗ đen luôn là một đề tài hấp dẫn trong vũ trụ học. Nó uốn cong không-thời gian xung quanh tới mức không một thứ gì đi vào trong nó có thể thoát ra, kể cả ánh sáng. Một câu hỏi thú vị được đặt ra là nếu như vậy thì những gì đi vào trong lỗ đen sẽ đi tới đâu? Câu hỏi này mang lại rất nhiều giả định thú vị, bao gồm cả những ý tưởng hấp dẫn mà bạn có thể đã thấy trong nhưng bộ phim viễn tưởng. Cuối cùng, chúng ta đã biết bao nhiêu sự thật về hoạt động của lỗ đen? Đó là điều sẽ được trao đổi trong bài này.
Gần đây, có hơn một lần tôi được hỏi về việc vật chất sẽ đi về đâu khi lọt vào trong một lỗ đen. Trước hết, tôi sẽ cần trả lời một cách thành thật nhất rằng: Tôi không biết. Bất cứ ai khác, dù là những nhà vật lý lý thuyết và vũ trụ học xuất sắc nhất của thời đại này cũng không biết. Khác với một ngôi sao hay một hành tinh, một lỗ đen hoàn toàn nằm ngoài khả năng quan sát của chúng ta (ít ra ở thời điểm này), vì thế không ai có thể khẳng định chắc chắn được về bất cứ cơ chế nào diễn ra bên trong của nó.
Tuy nhiên, như tôi đã từng nói nhiều lần trong các bài viết và bài giảng khác của mình, các nhà khoa học thì không dùng trí tưởng tượng để vẽ ra kịch bản như các tác giả viễn tưởng. Bằng kiến thức và sự kết hợp logic của mình, họ có thể nói cho bạn nghe những kịch bản khả dĩ trong tình huống này.
Sự tồn tại của lỗ đen
Để trình bày một cách mạch lạc, tôi xin được diễn giải lại một vài ý chính về lỗ đen.
Năm 1915, Albert Einstein đưa ra thuyết tương đối rộng và vài tháng sau đó được bổ sung thêm phương trình trường mô tả không-thời gian bị biến dạng do sự có mặt của khối lượng. Lý thuyết này chỉ ra rằng hấp dẫn trên thực tế không phải - hay ít ra là không hẳn - là một lực, mà nó là hệ quả của sự biến dạng của không-thời gian do khối lượng. Vùng không-thời gian bị biến dạng quanh một vật thể mang khối lượng được gọi là trường hấp dẫn (giống như điện trường bao quanh vật mang điện tích).
Chỉ vài tháng sau khi Einstein công bố lý thuyết của mình, một nhà vật lý khác là Karl Schwarzschild đã tính ra một nghiệm đặc biệt của phương trình trường, cho biết rằng khi một vật thể có khối lượng M bị nén xuống một bán kính đủ nhỏ, nó sẽ sụp đổ do khối lượng của chính mình. Bán kính đó được gọi là bán kính Schwarzschild và được tính bằng công thức sau:
rs = 2MG/c2
Trong đó, M là khối lượng vật thể, G là hằng số hấp dẫn còn c là vận tốc ánh sáng.
Khi một vật thể như vậy sụp đổ, nó sẽ tạo thành một điểm có mật độ vô hạn ở trung tâm, được các nhà vật lý gọi là kỳ dị (singularity). Tại kỳ dị này, mọi định luật vật lý mà chúng ta đã biết được cho rằng sẽ không như vậy mà hành xử theo một cách hoàn toàn khác do độ cong của không-thời gian. Kỳ dị này là tâm của một mặt cầu có bán kính chính bằng bán kính Schwarzschild. Đường bao của mặt cầu đó được gọi chân trời sự kiện (event horizon). Toàn bộ khu vực bên trong chân trời sự kiện đó chính là thứ được chúng ta gọi là lỗ đen (black hole).
Trường hấp dẫn của lỗ đen mạnh tới mức nó uốn cong không-thời gian bên trong chân trời sự kiện tới độ cong vô hạn, khiến cho đường đi của mọi loại vật chất (trong đó có ánh sáng) khi chạm tới chân trời sự kiện đều bị uốn vào phía trong của nó và không thể đi ra ngoài. Vì lý do này, lỗ đen thường được hiểu nhầm là vật thể có thể hút mọi thứ với sức hút vô hạn. Trên thực tế, những gì không chạm tới chân trời sự kiện của nó thì vẫn chịu hấp dẫn của nó phụ thuộc vào khối lượng và khoảng cách như Newton đã mô tả trong định luật hấp dẫn của ông cách đây hơn 300 năm.
Hai loại lỗ đen phổ biến mà các nhà khoa học đã xác định được ngày nay là lỗ đen khối lượng sao (hình thành do sự sụp đổ cuối đời của các sao nặng) và lỗ đen siêu nặng (ở trung tâm của hầu hết các thiên hà lớn đã được quan sát).
Sau khi nắm được những điều cơ bản trên về lỗ đen, chúng ta sẽ quay lại với câu hỏi chính được đặt ra ở đầu bài viết này.
(Độc giả có thể tham khảo chi tiết hơn hơn qua bài "Lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu" hoặc đầy đủ hơn nữa bằng cách tìm đọc cuốn sách của tôi đã xuất bản năm 2018 có tên "Vũ trụ: Xa hơn Mây Oort".)
Lỗ đen có thể dẫn bạn đi xuyên qua không gian và thời gian?
Những người mơ mộng thì hẳn là thích ý tưởng này. Một tác phẩm gần đây và gây được nhiều chú ý nhất liên quan tới đề tài này là phim Interstellar của đạo diễn Christopher Nolan. Ở cuối phim, nhân vật của Matthew McConaughey đã thông qua một lỗ đen để đi xuyên qua không gian và thời gian.
Trên thực tế, ý tưởng đó không hề mới mà đã được nhắc tới nhiều lần. Không thể phủ nhận đó là một ý tưởng đầy cuốn hút. Từ nhiều năm trước, các nhà vật lý lý thuyết sớm đã dự đoán sự tồn tại của một thực thể đối lập với lỗ đen gọi là lỗ trắng (white hole). Hiển nhiên, chưa từng có lỗ trắng nào được phát hiện cả. Thậm chí ngay cả về lý thuyết thì sự tồn tại của nó cũng là không thể trong vũ trụ của chúng ta. Nếu có, nó cần tồn tại trong một vũ trụ khác hoặc một không-thời gian hoàn toàn khác và là điểm đến của vật chất đi vào trong lỗ đen. Một cặp lỗ đen và lỗ trắng như vậy có thể được nối với nhau bởi một đường hầm gọi là lỗ sâu (wormhole).
Lỗ sâu có thể là những đường nối cho phép bạn di chuyển giữa hai điểm của không-thời gian. Khi đi vào một lỗ sâu, liệu bạn có thể bước ra ở một thời đại khác?
(Hình trích từ sách "Vũ trụ: Xa hơn Mây Oort")
Vậy giả sử rằng lỗ trắng và lỗ sâu thực sự tồn tại, bạn có cơ hội nào để đi vào lỗ đen và đi ra một vùng không-thời gian khác (chẳng hạn như một thiên hà khác, hoặc là quay ngược về quá khứ) hay không?
Rất tiếc, câu trả lời sẽ làm bạn thất vọng. Điều đó sẽ không xảy ra. Ngay cả trong tình huống lạc quan nhất thì bạn cũng chỉ đi tới một nơi khác theo nghĩa là những hạt cơ bản cấu tạo nên bạn đi được tới đó - dưới một trật tự và hình thái khác.
Mặc dù không có ánh sáng hay bất cứ bức xạ nào khác có thể đi ra từ bên trong của chân trời sự kiện và do đó chúng ta không thể biết điều gì xảy ra bên trong lỗ đen, nhưng các nhà khoa học vẫn có thể cho bạn biết số phận của bạn ngay trước khi rơi vào phía trong của ranh giới đó.
Khi một vật thể tới rất gần chân trời sự kiện của lỗ đen, nó sẽ nhận một gia tốc cực lớn. Vì hấp dẫn có sự khác biệt do chênh lệch khoảng cách, hấp dẫn càng mạnh thì sự chênh lệch gia tốc theo khoảng cách càng rõ nét. Ở rất gần chân trời sự kiện, chênh lệch gia tốc ở đầu và chân một nhà du hành sẽ kéo giãn anh ta như một sợi mì trước khi xé đứt hoàn toàn - một hiện tượng được gọi là sự gián đoạn triều (tidal disruption). Cả cơ thể cũng như mọi thứ đi cùng nhà du hành sẽ bị xé nát cho tới khi trở thành những hạt cơ bản nhỏ nhất khi chúng rơi vào lỗ đen. Việc một nhà du hành hay thứ gì đó tương tự bị kéo giãn như một sợi mỳ này thường được các nhà thiên văn gọi vui là spaghettification (sự spaghetti hóa, hay sự kéo cho thành spaghetti).
Nếu như lỗ trắng và lỗ sâu có tồn tại và có thể đưa mọi thứ đi qua để tới nơi nào đó khác, thì những gì đi ra được khỏi lỗ trắng cũng chỉ có thể là một tập hợp các hạt cơ bản không hơn.
Sự spaghetti hóa khi tới quá gần lỗ đen.
Có lẽ, sẽ chẳng ai đi đâu cả
Cuối cùng, chúng ta hãy tính tới khả năng thực tế nhất, hay ít ra là khả năng có nhiều cơ hội là sự thật nhất.
Lỗ trắng chỉ là một giả định để cân bằng với sự tồn tại của lỗ đen trong mô hình của Schwarzschild. Việc nó tồn tại đã không chắc chắn, chưa nói tới việc liệu có một thứ gọi là lỗ sâu nối giữa nó và lỗ đen hay không.
Trong trường hợp chẳng có lỗ trắng hay lỗ sâu nào cả, thì vật chất đi đâu?
Rất đơn giản, chúng chẳng đi đâu cả. Giống như một thiên thạch bị trường hấp dẫn của Trái Đất bắt giữ và lao qua khi quyển tạo thành một vệt sao băng tuyệt đẹp để rồi cuối cùng tro bụi của nó thành một phần của Trái Đất, nếu một vật thể lao vào lỗ đen, nó cũng sẽ thành một phần của lỗ đen đó. Việc bồi tụ vật chất vào lỗ đen bởi một sao đồng hành đã được các nhà thiên văn phát hiện như một bằng chứng cho sự tồn tại của lỗ đen. Những vật chất đó sau khi đi vào lỗ đen thì không thể nhìn thấy được nữa. Nhưng điều đó chỉ chứng tỏ rằng chúng ta không nhận được ánh sáng từ chúng nữa, chứ không phải chúng thực sự biến mất.
Sự bồi tụ vật chất của một sao đồng hành vào lỗ đen (hình ảnh mô phỏng).
Giải thích một cách dễ hiểu, thì vật chất đi vào phía trong chân trời sự kiện sẽ bị xé thành các hạt cơ bản, trở thành một phần của lỗ đen. Việc đó khiến khối lượng của lỗ đen tăng lên. Khi áp dụng công thức tính bán kính Schwarzschild ở trên, có thể thấy rằng sự tăng khối lượng đó sẽ kéo theo việc làm tăng bán kính Schwarzschild, hay nói cách khác là tăng kích thước của chính bản thân lỗ đen. Rất có thể, nhiều lỗ đen siêu nặng đã lớn lên theo cách đó, dù có lẽ phải có một lượng vật chất khổng lồ dội liên tục vào để chúng có thể phát triển tới mức đó.
...
Mặc dù viễn cảnh có thể làm bạn thất vọng, nhưng vẫn còn rất nhiều điều về các lỗ đen mà tới nay chúng ta chưa biết hết mà còn cần tới sự tham gia của những thế hệ kính thiên văn tiếp theo cùng những kỹ thuật quan sát và mô phỏng lúc này còn chưa ra đời. Vậy nên, có lẽ những người mơ mộng hiện vẫn có quyền theo đuổi phần nào trí tưởng tượng của mình.
