Lỗ đen ra đời như thế nào?

Các lỗ đen vốn có sức thu hút đặc biệt. Có lẽ bởi vì chúng là những con quái vật vô hình ẩn náu trong không gian thi thoảng xé toạc các ngôi sao làm hai nửa và làm vương vãi phần tàn dư còn lại. Dẫu lí do gì đi nữa, những vật thể vũ trụ lạ lùng này vẫn tiếp tục làm say đắm các nhà khoa học và những người yêu thích khoa học.

• Nhưng lỗ đen ra đời từ đâu? Chúng ra đời như thế nào, và cái gì đem lại cho chúng sức mạnh huỷ diệt ghê gớm như thế? Trước khi có thể trả lời những câu hỏi trên, chúng ta phải nêu một câu hỏi còn cơ bản hơn nữa: Thật ra thì lỗ đen là gì? “Về căn bản, đó là một vật thể hay một điểm trong không gian mà tại đó lực hút hấp dẫn mạnh đến mức không gì có thể thoát khỏi nó,” theo lời nhà thiên văn vật lí Neta Bahcall tại Đại học New Jersey. Ngay cả sóng ánh sáng cũng bị nuốt chửng, thành ra lỗ đen mới có tên là đen.

Hình minh hoạ một siêu lỗ đen đang thổi gió ra bên ngoài thành một hình cầu. Ảnh: NASA/JPL-Caltech

Những vật thể lạ lùng này phát sinh tựa như con phượng hoàng lửa bay lên từ đống tro tàn của những ngôi sao chết. Khi các sao khối lượng lớn đi tới cuối cuộc đời của chúng, nhiên liệu hydrogen mà chúng dùng để tổng hợp helium gần như đã cạn kiệt. Vì thế, các sao khổng lồ này bắt đầu đốt helium, tổng hợp những nguyên tử còn lại thành những nguyên tố nặng hơn, cho đến sắt, và rồi sự tổng hợp hạt nhân không còn cung cấp đủ năng lượng để duy trì những lớp vỏ ngoài của ngôi sao nữa. Những lớp ngoài cùng này co sụp vào trong và rồi phát nổ ra ngoài dưới dạng một vụ nổ mạnh và sáng rực gọi là siêu tân tinh (sao siêu mới).

Nhưng, một phần nhỏ của ngôi sao vẫn còn lại. Các phương trình của thuyết tương đối rộng Albert Einstein dự đoán rằng nếu phần tàn dư này gấp khoảng ba lần khối lượng Mặt Trời của Trái Đất, thì lực hấp dẫn mạnh của ngôi sao sót lại sẽ thống trị và vật chất tạo nên ngôi sao sẽ bị nén vào một điểm vô cùng nhỏ với mật độ vô hạn. Các định luật vật lí đã biết không áp dụng được cho những vô hạn khó hiểu như thế. “Ở một mức nào đó, chúng sụp đổ và chúng ta thật sự chẳng biết chuyện gì xảy ra hết,” Bahcall nói.

Nếu chỉ có riêng tàn tích sao này thôi, thì lỗ đen nói chung sẽ nằm yên đó và chẳng có gì nhiều để bàn luận. Nhưng nếu có chất khí và bụi vây xung quanh vật thể, thì vật chất sẽ bị nuốt chửng vào trong bầu diều của lỗ đen, tạo ra những đợt ánh sáng bùng phát khi chất khí và bụi ấy nóng lên, xoáy tít xung quanh tựa như nước chảy xuống một lỗ thoát. Lỗ đen sẽ sát nhập phần khối lượng này vào khối lượng của nó, cho phép nó lớn lên.

Nếu hai lỗ đen gặp nhau, thì lực hút hấp dẫn cực mạnh của mỗi bên sẽ hút lẫn nhau, và chúng càng lúc càng tiến đến gần nhau, quay tròn xung quanh nhau. Khối lượng tổng cộng của chúng sẽ làm rung lắc kết cấu không-thời gian lân cận, làm phát ra sóng hấp dẫn. Vào năm 2015, các nhà thiên văn đã dò thấy những sóng hấp dẫn như thế đi qua Đài thiên văn Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO).

“Đây là lần đầu tiên chúng ta thật sự có thể nhìn thấy các lỗ đen và xác nhận chúng tồn tại,” Bahcall nói. Ngoài ra, các kết quả trên cũng là một xác thực thật đẹp của các phương trình tương đối rộng Einstein.

Trước đây các nhà khoa học đã tìm thấy bằng chứng gián tiếp của các lỗ đen, họ chứng kiến các sao ở vùng tâm Ngân Hà của chúng ta đang quay xung quanh một vật thể vô hình khổng lồ. Làm thế nào những siêu lỗ đen như thế ra đời – chúng có thể gấp hàng tỉ lần khối lượng Mặt Trời của chúng ta – là một câu hỏi đang nổi cộm, Bahcall cho biết.

Các nhà khoa học tin rằng các siêu lỗ đen đã từng nhỏ hơn nhiều, chúng ra đời dưới dạng những lỗ đen kích cỡ khiêm tốn hơn trong lịch sử trước đây của vũ trụ chúng ta. Trên cấp thời gian vũ trụ họ, những vật thể này hấp thụ chất khí và bụi và hợp nhất với nhau để lớn lên, cuối cùng thành những con quái vật khổng lồ. Nhưng nhiều chi tiết của câu chuyện này vẫn chưa được làm rõ.

Các nhà thiên văn đã quan sát những vật thể gọi là quasar, chúng sáng hơn hàng nghìn thiên hà cộng gộp lại và người ta nghĩ chúng được cấp năng lượng bởi những siêu lỗ đen đang tiêu thụ vật chất. Các quasar đã được nhìn thấy xa đến hàng tỉ năm sau Big Bang (Vụ Nổ Lớn), khi vũ trụ của chúng ta ra đời, khiến các nhà khoa học phải nhức đầu giải thích làm thế nào những vật thể đồ sộ như thế có thể ra đời nhanh như vậy, Bahcall nói.

“Vấn đề đó thật sự nổi cộm và làm tăng thêm tính phức tạp cho câu hỏi,” Bahcall nói. Đó là một đề tài nghiên cứu rất sôi nổi hiện nay.

Nguồn: Thư viện Vật lý

Comments

comments