Ngày mùng 6 tháng 10 vừa qua, giải Nobel Vật lý năm 2020 đã được chính thức công bố. Nó được dành cho ba nhà khoa học là Roger Penrose, Reinhard Genzel và Andrea Ghez vì những nghiên cứu và khám phá của họ về một trong những đối tượng thu hút được nhiều sự quan tâm nhất trong thiên văn và vũ trụ học: lỗ đen.
Lỗ đen là gì?
Năm 1915, Albert Einstein đưa ra thuyết tương đối rộng trong đó mô tả hấp dẫn là một hiệu ứng của không-thời gian thay vì là một lực. Khu vực bị ảnh hưởng của sự uốn cong không-thời gian do khối lượng được gọi là "trường hấp dẫn". Tới năm 1916, Einstein chính thức công bố phương trình trường của thuyết tương đối rộng.
Một nghiệm đặc biệt của phương trình Einstein được tìm ra bởi nhà vật lý Karl Schwarzschild, mô tả sự sụp đổ vật chất khi một vật có khối lượng co lại tới một bán kính nhất định tương ứng - gọi là bán kính Schwarzschild. Sự sụp đổ đó có thể tạo thành một kỳ dị và uốn cong một vùng không-thời gian xung quanh tới độ cong vô hạn khiến cho mọi tia sáng đều không thể thoát ra khỏi nó. Toàn bộ vùng không-thời gian đó có một đường biên gọi là chân trời sự kiện. Những gì nằm phía trong của chân trời sự kiện, nơi không thứ gì có thể thoát ra được gọi là lỗ đen.
Mặc dù chính Einstein đã không đồng tình với ý tưởng cho rằng có những vật thể như lỗ đen có thể tồn tại trong vũ trụ, nhưng cho tới nay thì ngoài việc đáp ứng về mặt lý thuyết, lỗ đen cũng đã được phát hiện ra nhiều lần thông qua hiệu ứng gián tiếp mà chúng tác động lên xung quanh. Đặc biệt, năm 2019, các nhà khoa học ở dự án Kính thiên văn Chân trời sự kiện (một dự án sử dụng kết hợp dữ liệu của rất nhiều đài quan sát lớn trên khắp thế giới) đã có được bức ảnh đầu tiên chụp khu vực đĩa sáng bao quanh một lỗ đen siêu nặng. (Đọc chi tiết bài về công bố này tại đây.)
Hình ảnh lỗ đen siêu nặng ở trung tâm thiên hà M87 được công bố năm 2019.
Về cơ bản, có hai loại lỗ đen phổ biến trong vũ trụ:
Lỗ đen khối lượng sao: Đây là những lỗ đen hình thành do sự sụp đổ vào cuối đời của các sao nặng. Những sao như vậy có khối lượng lớn hơn Mặt Trời nhiều lần. Khi chết, chúng kết thúc bằng một vụ nổ supernova, thổi tung các lớp ngoài còn lõi trong cùng co lại và sụp đổ để tạo thành lỗ đen. Những lỗ đen này có khối lượng từ vài tới vài chục lần Mặt Trời.
Lỗ đen siêu nặng: Các nhà thiên văn học cho rằng có một lỗ đen siêu nặng ở trung tâm của hầu hết các thiên hà. Thiên hà của chúng ta (Milky Way) có một lỗ đen như vậy với khối lượng gấp hơn 4 triệu lần khối lượng của Mặt Trời, tên là Sagittarius A* (viết tắt là Sgr A*). Lỗ đen đã được chụp hồi năm 2019 là một lỗ đen siêu nặng nằm ở trung tâm của thiên hà M87, cách chúng ta khoảng 55 triệu năm ánh sáng. Lỗ đen của M87 có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần Mặt Trời và là lỗ đen lớn nhất từng được biết tới cho tới hiện nay.
Một loại lỗ đen nữa cũng được dự đoán và dành sự quan tâm là lỗ đen khối lượng trung bình với khối lượng trong khoảng từ 100 tới 100.000 lần khối lượng Mặt Trời. Những lỗ đen này rất hiếm và khó xác định. Năm 2019, một lỗ đen đầu tiên như vậy đã được phát hiện thông qua sóng hấp dẫn phát ra từ vụ sáp nhập của hai lỗ đen mà kết quả là tạo thành một lỗ đen khối lượng trung bình.
Để nắm thêm nhiều thông tin và giải thích chi tiết về các lỗ đen, độc giả có thể tham khảo thêm bài "Lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu" hoặc đọc thêm trong cuốn sách của tôi đã được xuất bản vào năm 2018 là "Vũ trụ: xa hơn Mây Oort".
Giải Nobel Vật lý 2020
Theo thông cáo báo chí từ Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, ba người đoạt giải Nobel năm 2020 gồm Roger Penrose, Reinhard Genzel và Andrea Ghez là những người đã có những cống hiến lớn cho việc nghiên cứu các lỗ đen.
Roger Penrose được trao giải "vì khám phá ra rằng sự hình thành của lỗ đen là một dự đoán chắc chắn của thuyết tương đối rộng". Còn Reinhard Genzel và Andrea Ghez là vì "đã phát hiện ra rằng một vật thể vô hình và cực nặng chi phối quỹ đạo của các ngôi sao ở trung tâm thiên hà của chúng ta." (và đó chính là lỗ đen siêu nặng Sgr A*). Một nửa giải thưởng được trao cho Penrose, nửa còn lại chia đều cho Genzel và Ghez.
Theo thông cáo cho biết:
Roger Penrose đã sử dụng các phương pháp toán học khéo léo để chứng minh rằng lỗ đen là hệ quả trực tiếp của thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Bản thân Einstein cũng không tin rằng các lỗ đen thực sự tồn tại, những con quáy vật siêu nặng đó có thể bắt giữ mọi thứ đi vào trong chúng. Không gì có thể thoát ra, kể cả ánh sáng.
Tháng 1 năm 1965, 10 năm sau cái chết của Einstein, Roger Penrose đã chứng minh rằng các lỗ đen thực sự có thể hình thành và mô tả chúng một cách chi tiết. Ở trung tâm của chúng, các lỗ đen có một kỳ dị nơi mà mọi định luật của tự nhiên đều không có giá trị. Bài báo mang tính đột phá của ông tới nay vẫn được coi là đóng góp lớn nhất cho thuyết tương đối rộng kể từ thời Einstein.
Reinhard Genzel và Andrea Ghez mỗi người đứng đầu một nhóm các nhà thiên văn học bắt đầu tập trung nghiên cứu một khu vực được gọi là Sagittarius A* bắt đầu từ đầu những năm 1990. Quỹ đạo của các sao sáng ở gần trung tâm của thiên hà được vẽ lại với độ chính xác ngày càng cao. Các phép đo của cả hai nhóm nghiên cứu khớp với nhau và cả hai tìm ra rằng có một vật thể siêu nặng, vô hình kéo lấy các ngôi sao, khiến chúng lao đi với tốc độ chóng mặt. Một khối lượng khoảng 4 triệu lần Mặt Trời được gói gọn trong một vùng không hề lớn hơn Hệ Mặt Trời của chúng ta.
Sử dụng những kính thiên văn lớn nhất thế giới, Genzel và Ghez đã phát triển những phương pháp để nhìn xuyên qua những đám mây chứa khí và bụi liên sao khổng lồ vào tới trung tâm của Milky Way. Mở rộng thêm các giới hạn của công nghệ, họ đã tạo ra những kỹ thuật mới để giải quyết được những biến dạng (của ánh sáng) do khí quyển của Trái Đất, xây dựng những công cụ độc đáo và theo đuổi nghiên cứu trong khoảng thời gian dài. Công việc mang tính tiên phong của họ đã mang lại cho chúng ta những bằng chứng thuyết phục nhất từng có về lỗ đen siêu nặng ở trung tâm của Milky Way.
(Trích thông cáo báo chí của Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển ngày 06/10/2020.)
Việc nghiên cứu các lỗ đen là vô cùng quan trọng đối với vũ trụ học nói riêng cũng như khoa học hiện đại nói chung. Việc hiểu về sự hình thành và tác động của chúng với môi trường xung quanh sẽ cho chúng ta biết rõ hơn về cấu trúc và cả lịch sử của vũ trụ - cũng chính là lịch sử của chúng ta.
Đây là năm thứ hai liên tiếp, và là năm thứ ba trong vòng 5 năm qua, giải Nobel Vật lý được trao cho các nghiên cứu trong thiên văn học. Điều đó phần nào nói lên rằng khác với một số nhận định không chính xác, trên thực tế nghiên cứu vũ trụ đang được chú trọng hơn lúc nào hết và đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong nhận thức của nhân loại.
