Khám Phá 10 Sự Thật Kỳ Lạ Về Hố Đen Vũ Trụ - Hố Đen Là Gì Và Dẫn Đến Đâu

Hầu hết các hố đen ra đời từ tàn dư của những ngôi sao lớn sau khi chúng kết thúc cuộc đời trong một vụ nổ siêu tân tinh. Các ngôi sao có kích thước nhỏ hơn sẽ trở thành sao neutron, những vật thể cực kỳ dày đặc nhưng không đủ sức hút để bẫy ánh sáng. Nếu ngôi sao có khối lượng đủ lớn (tương đương ba lần khối lượng Mặt Trời), sự sụp đổ dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn sẽ là không thể tránh khỏi. Khi ngôi sao bắt đầu sụp đổ và tiến gần đến "chân trời sự kiện" - một bề mặt tưởng tượng, thời gian đối với ngôi sao sẽ chậm lại so với thời gian của những người quan sát từ xa. Đến khi ngôi sao đạt đến chân trời sự kiện, thời gian gần như ngừng lại, khiến ngôi sao không thể tiếp tục sụp đổ, nó trở thành một vật thể "đóng băng" đang rơi vào hố đen. Những vụ va chạm giữa các ngôi sao cũng có thể tạo ra các hố đen lớn. Vào tháng 12 năm 2004, kính thiên văn Swift của NASA đã phát hiện những tia sáng chớp nhoáng, được gọi là vụ nổ tia gamma, từ các hiện tượng này.

Hố đen có thể có khối lượng nhỏ bằng một mặt trăng hoặc khổng lồ với khối lượng gấp mười tỷ lần Mặt Trời. Khối lượng của hố đen tỷ lệ trực tiếp với kích thước của chân trời sự kiện, được xác định qua bán kính Schwarzschild, bán kính mà tại đó tốc độ thoát ra bằng tốc độ ánh sáng. Nếu bạn nén Trái đất đến kích thước của một viên bi, bạn sẽ có một hố đen. Điều này nhấn mạnh sự kỳ lạ của hố đen, bởi vì không có hố đen nào là vô hạn nhỏ. Hố đen có khối lượng tối thiểu lớn hơn hoặc bằng khối lượng Planck, tương đương khoảng 22 microgram.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Technion - Israel đã tạo ra gần 100.000 hố đen kích thước 0,1 mm, gồm khoảng 8.000 nguyên tử rubidi trong trạng thái khí. Mục đích của họ là nghiên cứu xem liệu các cặp photon có xuất hiện tại rìa của chân trời sự kiện hay không. Điều này đặc biệt vì không gian ở đây gần như trống rỗng, và các hạt được cho là xuất hiện từ chân không, tức là từ hư vô. Trong thử nghiệm này, một photon sẽ rơi vào hố đen và photon còn lại sẽ thoát ra. Đây là lý do tại sao bức xạ lại đứng yên, không di chuyển.

Những ngôi sao sáng nhất, với khối lượng lớn nhất, có tuổi thọ ngắn nhất vì chúng tiêu thụ nhiên liệu nhanh chóng hơn những ngôi sao nhỏ hơn. Khi chúng đạt đến giới hạn và không thể tiếp tục kết hợp các nguyên tố, chúng sẽ bước vào giai đoạn kết thúc và trở thành những ngôi sao chết. Khi một ngôi sao sụp đổ vào một không gian cực kỳ nhỏ, nó vẫn giữ nguyên toàn bộ khối lượng. Để bảo toàn momen động lượng, tốc độ quay của hố đen tăng lên.

Hố đen quay làm cho không-thời gian xung quanh nó cũng quay theo. Khu vực này, được gọi là ergosphere, nằm ngoài chân trời sự kiện và là nơi xảy ra nhiều hiện tượng thú vị. Vùng này càng nhỏ, tốc độ quay của hố đen càng nhanh. Tuy nhiên, có một giới hạn cho tốc độ quay của hố đen mà không làm lộ ra điểm kỳ dị của nó với phần còn lại của vũ trụ. Hố đen sao nặng nhất trong Dải Ngân Hà (GRS 1915 + 105) quay với tốc độ 1.150 vòng mỗi giây, trong khi một hố đen khác trong thiên hà NGC 1365 quay với tốc độ đạt 84% tốc độ ánh sáng, đã chạm đến giới hạn tốc độ tối đa của vũ trụ và không thể quay nhanh hơn nữa.

Vào năm 2003, các nhà thiên văn học sử dụng Đài quan sát tia X Chandra của NASA đã phát hiện sóng âm thanh phát ra từ một hố đen siêu lớn nằm cách Trái đất 250 triệu năm ánh sáng. Đây là tần số âm thanh sâu nhất từng được ghi nhận từ bất kỳ thiên thể nào. Hố đen này nằm ở trung tâm cụm thiên hà Perseus, và sóng âm thanh phát ra từ nó đã được điều chỉnh lên 57 và 58 quãng tám để có thể nghe được bằng tai người. Khi hố đen hút vật chất vào, chân trời sự kiện của nó làm tăng tốc các hạt gần như đến tốc độ ánh sáng, tạo ra âm thanh. Các kính thiên văn trong không gian đã ghi lại những sóng âm này, chúng đã truyền đi hàng triệu năm ánh sáng từ nguồn gốc của hố đen. Mặc dù âm thanh không thể truyền trong chân không, nhưng không gian không phải hoàn toàn là chân không; nó chứa một lượng nhỏ nguyên tử hidro và các khí khác, tạo thành môi trường cho sóng âm tần số cực thấp có thể di chuyển.

Với lực hấp dẫn khổng lồ, một hố đen có khả năng làm cong và biến dạng không-thời gian xung quanh nó. Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, khi tiến gần hố đen, thời gian sẽ dường như chậm lại. Chân trời sự kiện, ranh giới quanh hố đen, là nơi mà mọi vật chất, bao gồm ánh sáng, không thể thoát ra. Lực hấp dẫn tại điểm này luôn không đổi.

Đặc biệt, đối với những hố đen quay, hiện tượng kéo khung càng trở nên rõ rệt. Không gian và thời gian gần hố đen thực sự bị cuốn theo chuyển động của nó. Mức độ kéo này mạnh mẽ đến mức không thể quay ngược lại, tạo ra một vòng lặp vô tận của sự biến dạng mà không có cách nào thoát ra. Bên trong chân trời sự kiện, các định lý vật lý cổ điển không còn áp dụng, và hình dung về những vật thể có mật độ vô hạn hay khối lượng bằng không trở nên không thể thực hiện.

Khi rơi vào một hố đen, cơ thể bạn sẽ bị kéo dài ra như một sợi mì spaghetti. Nếu đó là một hố đen nhỏ, bạn sẽ phải đối mặt với lực hấp dẫn thủy triều cực kỳ mạnh mẽ. Lực thủy triều là sự chênh lệch giữa trọng lực tác động lên đầu và chân của bạn. Nếu bạn rơi theo chiều đầu trước, lực tác động lên đầu sẽ mạnh gấp nhiều lần so với lực ở chân bạn.

Chênh lệch này sẽ khiến bạn cảm thấy như thể cơ thể mình đang bị xé ra, kéo dài từ đầu đến chân. Khi đầu bạn càng gần hố đen, tốc độ di chuyển càng nhanh, trong khi nửa thân dưới của bạn lại di chuyển chậm hơn vì ở xa hơn. Khi lực thủy triều vượt quá lực liên kết phân tử trong cơ thể bạn, cơ thể bạn sẽ vỡ thành từng mảnh nhỏ, rồi từng mảnh lại tiếp tục vỡ ra. Cuối cùng, bạn sẽ bị đẩy qua lớp không gian, giống như kem đánh răng bị nén qua một ống nhỏ.

Nhiều người hình dung hố đen như một chân không vũ trụ, hút mọi vật chất trong phạm vi xung quanh. Tuy nhiên, hố đen giống như các thiên thể khác với một lực hấp dẫn cực kỳ mạnh mẽ đối với không gian xung quanh. Lực hấp dẫn này không hút mọi thứ từ xa mà chỉ có thể tác động đến các vật thể tiến gần đến nó. Các hố đen phát triển bằng cách hấp thụ vật chất ở gần, và bất kỳ vật thể nào vượt qua chân trời sự kiện sẽ không thể thoát ra được. Chính vì vậy, những vật thể không giữ đủ khoảng cách an toàn sẽ bị nuốt chửng.

Thực tế, nếu chúng ta thay thế Mặt trời bằng một hố đen có khối lượng tương đương, Trái đất sẽ không bị hút vào. Hố đen này sẽ có trường hấp dẫn tương tự như Mặt trời, và các hành tinh sẽ tiếp tục quay quanh nó như cách chúng quay quanh Mặt trời hiện tại. Do Mặt trời không đủ lớn để trở thành hố đen, chúng ta không cần lo lắng về việc bị hút vào nó từ khoảng cách xa. Hố đen chỉ có thể hút những vật thể quá gần nó. Trái đất sẽ chỉ gặp nguy hiểm nếu tiến sát trong khoảng 10 dặm, một khoảng cách rất nhỏ so với 93 triệu dặm hiện tại từ Mặt trời.

Dù những vật thể có lực hấp dẫn mạnh mẽ đến mức ánh sáng không thể thoát ra đã được thảo luận từ thế kỷ 18, Karl Schwarzschild mới là người đưa ra giải pháp hiện đại đầu tiên về thuyết tương đối rộng vào năm 1916, mô tả chính xác một hố đen. Khám phá Cygnus X-1 vào năm 1964 đã làm sáng tỏ một phần còn thiếu trong lý thuyết của Einstein, giúp mở rộng hiểu biết về vũ trụ. Karl Schwarzschild, giám đốc Đài quan sát Vật lý Thiên văn ở Potsdam, đồng thời là một nhà lý thuyết và toán học xuất sắc, dù ở tuổi 40 vẫn tham gia nỗ lực chiến tranh.

Đến năm 1958, David Finkelstein đã công bố giải thích rằng hố đen là một vùng không gian mà không có vật thể nào có thể thoát ra được. Sau đó, nhà vật lý lý thuyết người Mỹ, John Wheeler, đã đưa ra thuật ngữ “lỗ đen” để mô tả các vật thể có sự sụp đổ hấp dẫn mà ông dự đoán vào đầu thế kỷ 20. Thuật ngữ này được ông sử dụng lần đầu tiên trong một bài thuyết trình tại Viện Nghiên cứu Không gian Goddard của NASA vào năm 1967.

Vì ánh sáng không thể thoát ra khỏi lực hấp dẫn cực kỳ mạnh mẽ của một hố đen, chúng ta không thể quan sát trực tiếp chúng. Tuy nhiên, dấu vết của hố đen có thể được phát hiện qua tác động của chúng lên các thiên thể và khí xung quanh. Sự hiện diện của hố đen có thể được nhận biết qua ảnh hưởng của nó đối với các vật thể khác, từ đó giúp chúng ta nghiên cứu và hiểu rõ hơn về nó.

Các nhà thiên văn học quan sát các ngôi sao để xác định liệu chúng có quay quanh một hố đen hay không. Khi một ngôi sao và hố đen tương tác gần nhau, bức xạ phát ra từ quá trình này sẽ được ghi lại bởi các kính viễn vọng và vệ tinh. Vào năm 2019, các nhà khoa học đã thành công trong việc chụp hình ảnh đầu tiên của một hố đen, cách chúng ta 500 triệu nghìn tỷ km. Hố đen siêu lớn này có đường kính lên đến 40 tỷ km và khối lượng gấp 6,5 tỷ lần Mặt trời.

Mỗi hố đen có ba thành phần chính: điểm kỳ dị, chân trời sự kiện bên ngoài và bên trong. Tâm của hố đen, gọi là điểm kỳ dị, là khu vực mà toàn bộ khối lượng bị nén lại gần như vô hạn, tạo ra một lực hấp dẫn khổng lồ. Chân trời sự kiện bên ngoài là lớp ngoài cùng của hố đen, nơi mà vật chất có thể thoát ra được khỏi lực hút khổng lồ, nhưng vẫn chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của nó. Lực hấp dẫn ở lớp này yếu hơn nhiều so với lớp trong hay trung tâm của hố đen.

Có bốn loại hố đen đã được xác định (ba loại thực và một loại giả thuyết):

• Hố đen sao: Các hố đen nhỏ với khối lượng từ 5 đến vài chục lần khối lượng Mặt trời. Chúng hình thành khi một ngôi sao lớn bị sụp đổ hấp dẫn.
• Hố đen siêu lớn: Là các hố đen khổng lồ với khối lượng từ hàng trăm nghìn đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Nguồn gốc của chúng vẫn đang được nghiên cứu.
• Hố đen trung gian: Có khối lượng lớn hơn hố đen sao nhưng nhỏ hơn hố đen siêu lớn. Bằng chứng mạnh mẽ nhất cho sự tồn tại của chúng đến từ các hạt nhân thiên hà hoạt động với độ sáng thấp.
• Hố đen nguyên thủy: Là những hố đen giả thuyết, có thể hình thành ngay sau Vụ Nổ Lớn. Khối lượng của chúng có thể nhỏ hơn nhiều so với các hố đen sao. Stephen Hawking đã nghiên cứu và phát hiện rằng chúng có thể có khối lượng chỉ 100 microgram.