Những câu thường hỏi về hố đen

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm

Đây là bản dịch sang tiếng Việt trả lời cho những câu thường hỏi về của tác giả Ted Bunn.

Hố đen là gì?

Nói một cách dễ hiểu, một hố đen là một vùng của có quá nhiều tập trung trong đó tới nỗi không có cách nào để một vật ở gần thoát khỏi của nó. Bởi vì lý thuyết tốt nhất hiện nay của chúng ta về trọng lực là tổng quát, chúng ta phải nghiên cứu một số kết quả của lý thuyết đó để hiểu chi tiết các lỗ đen, nhưng đầu tiên hãy cùng khởi đầu chậm rãi, bằng cách suy nghĩ về trong những trường hợp đơn giản.

Tưởng tượng bạn đang đứng trên bề mặt một. Bạn ném một hòn đá thẳng lên trên trời. Giả sử bạn không ném quá mạnh, nó sẽ bay lên một lúc, nhưng cuối cùng gia tốc dưới ảnh hưởng của sức hút của hành tinh sẽ làm nó bắt đầu rơi xuống. Nếu bạn ném hòn đá đủ mạnh, bạn có thể làm nó thoát hoàn toàn khỏi sức hút của hành tinh. Nó sẽ bay lên mãi mãi. Tốc độ mà bạn cần để ném hòn đá khiến nó thoát khỏi sức hút của hành tinh gọi là "". Tốc độ thoát phụ thuộc vào khối lượng của hành tinh. Nếu hành tinh cực kỳ nặng, thì sức hút của nó cực mạnh, và tốc độ thoát rất cao. Một hành tinh nhỏ hơn sẽ có tốc độ thoát nhỏ hơn. Tốc độ thoát cũng phụ thuộc vào việc bạn ở cách xa trung tâm của hành tinh bao xa: bạn càng ở gần, tốc độ càng phải cao. Tốc độ thoát của là 11.2 km/s (khoảng 25,000 dặm/giờ]]), trong khi tốc độ thoát của chỉ là 2.4 km/s (khoảng 5,300 dặm/giờ).

Bây giờ tưởng tượng một vật với một mức độ tập trung vật chất to lớn bên trong một phạm vi nhỏ tới mức tốc độ thoát của vật đó còn lớn hơn vận tốc ánh sáng. Sau đó, bởi vì không gì có vận tốc lớn hơn ánh sáng, nên không gì có thể thoát khỏi trường hấp dẫn của vật đó. Thậm chí một chùm sáng sẽ bị trọng lực kéo lại và sẽ không thể thoát ra. Ý tưởng về một sự tập trung đậm đặc tới mức ánh sáng cũng bị giữ lại đã được Laplace đưa ra từ thế kỷ 18. Hầu như ngay sau khi Einstein phát triển thuyết tương đối rộng, Karl Schwarzschild phát hiện ra một đáp án toán học cho phương trình giữa lý thuyết miêu tả một vật như vậy. Chỉ sau đó, với công sức của Oppenheimer, Volkoff và Snyder trong thập kỷ 1930, mọi người đã suy nghĩ nghiêm túc hơn về khả năng những vật như thế trên thực tế có thể tồn tại trong vũ trụ. (Cũng chính Oppenheimer là người điều hành Dự án Manhattan.) Các nhà nghiên cứu đó cho thấy rằng khi một khối lượng đủ lớn bắt đầu [[hết nhiên liệu, nó không thể tự chống đỡ lại lực hút trọng lực của chính nó, và nó sẽ sụp đổ trở thành một hố đen.

Nói chung, tương đối, trọng lực là một các biểu thị sự uốn cong của không-thời gian vũ trụ. Các vật thể đồ sộ bóp méo không gian và thời gian, vì vậy những quy luật hình học thông thường không còn áp dụng được nữa. Gần một hố đen, sự bóp méo không gian cực lớn dẫn tới việc các hố đen có các tính chất rất khác thường. Nói chi tiết, một hố đen có một thứ gọi là ‘Chân trời sự kiện’. Đây là một bề mặt hình cầu đánh dấu biên giới của hố đen. Bạn có thể đi qua chân trời, những bạn không thể quay trở lại. Trên thực tế, một khi bạn đã bước qua chân trời, bạn bắt buộc phải di chuyển vào gần hơn và gần hơn nữa đến ‘tính phi thường’ ở trung tâm của hố đen.

Bạn có thể nghĩ về chân trời như một nơi mà tại đó tốc độ thoát tương đương với tốc độ ánh sáng. Bên ngoài chân trời, tốc độ thoát nhỏ hơn tốc độ ánh sáng, vì vậy nếu bạn bắn tên lửa đủ mạnh, bạn có thể tự tạo cho mình đủ năng lượng để thoát ra. Nhưng nếu bạn đã ở bên trong chân trời, thì dù tên lửa của bạn có mạnh đến đâu chăng nữa, bạn không thể thoát ra ngoài.

Chân trời sự kiện có một số đặc tính hình học rất kỳ lạ. Đối với một người quan sát đứng yên ở nơi nào đó xa bên ngoài hố đen, chân trời dường như là một bề mặt cầu đẹp đẽ, tĩnh lặng và không chuyển động. Nhưng một khi tiến đến gần, bạn nhận ra rằng nó có một tốc độ vô cùng lớn. Trên thực tế nó chuyển động ra ngoài với tốc độ ánh sáng! Điều đó giải thích tại sao dễ dàng để vượt qua chân trời hướng vào bên trong, nhnưg không thể quay trở ra. Bởi vì chân trời chuyển động ra ngoài với tốc độ ánh sáng, để thoát ra khỏi nó, bạn phải di chuyển với tốc độ cao hơn tốc độ ánh sáng. Bạn không thể có tốc độ cao hơn ánh sáng, và vì thế bạn không thể thoát ra ngoài hố đen.

(Nếu điều này nghe có vẻ kỳ lạ, đừng lo lắng. Nó rất kỳ lạ. Chân trời là một cảm giác chắc chắn nào đó đứng yên, nhưng ở cảm giác khác nó đang bay ra ngoài với tốc độ ánh sáng. Nó hơi giống với Alice trong “Đi qua Tấm gương nhìn”; Alice phải chạy hết sức mình nhưng chỉ đứng yên ở một chỗ.)

Một khi bạn đã ở bên trong chân trời, thời gian vũ trụ bị bóp méo tới mức toạ độ miêu tả khoảng cách bán kinh và thời gian đổi chỗ cho nhau. Đó là, thuật ngữ “r” được dùng để tả bạn cách trung tâm bao xa thì là thứ để miêu tả thời gian và “t” là một thứ để tả khoảng cách. Một kết quả của nó là bạn không thể tự mình chuyển về các giá trị r ngày càng nhỏ, cũng như trong những điều kiện thông thường bạn không thể tránh tiến về tương lai (đó là, tiến về các giá trị t ngày càng lớn). Cuối cùng, bạn tiến gần tới điểm phi thường tại r=0. Bạn sẽ tránh nó bằng cách thử sử dụng tên lửa, nhưng đó là điều vô ích: dù bạn chạy về hường nào, bạn không thể tránh khỏi tương lai. Tìm cách tránh trung tâm của một hố đen một khi bạn đã vượt qua chân trời cũng giống như bạn tìm cách tránh ngày thứ Năm tuần sau vậy.

Tiện đây, cái tên ‘hố đen’ được John Archibald Wheeler nghĩ ra, và có vẻ đã được công nhận bởi vì nó dễ nhớ hơn các tên khác trước đó. Trước Wheeler, các vật đó thường được coi là ‘các ngôi sao đông cứng’. Điều này sẽ giải thích tại sao ở phần dưới.

Hố đen rộng bao nhiêu?

Có ít nhất hai cách để miêu tả một vật lớn bao nhiêu. Chúng ta có thể nói nó có bao nhiêu khối lượng, hay chúng ta có thể nói nó chiếm bao nhiêu không gian. Đầu tiên chúng ta nói về khối lượng của các hố đen.

Về nguyên tắc, không có giới hạn về việc một hố đen có thể có nhiều hay ít khối lượng. Bất kỳ một giá trị khối lượng về nguyên tắc đều có thể dùng để tạo ra một hố đen nếu bạn ép nó đến mật độ đủ. Chúng ta cho rằng đa số các hố đen đang biết hiện nay được hình thành từ cái chết của các ngôi sao có khối lượng lớn, và vì vậy chúng ta cho rằng các hố đen đó có trọng lượng tương đương các ngôi sao có khối lượng lớn. Một khối lượng thông thường cho một hố đen dạng sao như thể phải khoảng 10 lần lớn hơn khối lượng Mặt Trời, hay khoảng 10^{31} kilograms. (Ở đây tôi dùng ký hiệu khoa học: 10^{31} có nghĩa một số 1 với 31 số 0 đằng sau, hay 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000.) Các nhà thiên văn học cũng cho rằng nhiều thiên hà che dấu các hố đen có khối lượng siêu lớn tại trung tâm. Chúng được cho có khối lượng gấp một triệu lần Mặt Trời, hay 10^{36} kilograms.

Hố đen có khối lượng càng lớn thì càng chiếm nhiều không gian. Trên thực tế, bán kính Schwarzschild (có nghĩa là bán kính của chân trời) và khối lượng có tỷ lệ trực tiếp với nhau: nếu một hố đen có khối lượng lớn hơn mười lần so với hố đen kia thì bán kính của nó cũng lớn hơn mười lần. Một hố đen có khối lượng tương đương Mặt Trời có bán kính khoảng 3km. Vì thế một hố đen tiêu biểu gấp mười lần Mặt Trời có bán kính 30km, và một hố đen lớn gấp một triệu lần mặt trời ở trung tâm thiên hà sẽ có bán kính 3 triệu km. Ba triệu km có thể nghe rất lớn nhưng đối với các tiêu chuẩn thiên văn học thì nó thực tế cũng không quá lớn. Ví dụ, Mặt Trời có bán kính khoảng 700,000km, và vì thế một siêu hố đen có bán kính chỉ khoảng bốn lần lớn hơn Mặt Trời.

Điều gì sẽ xảy ra nếu tôi rơi vào một hố đen?

Hãy tưởng tượng bạn vào trong tàu vũ trụ của bạn và trực chỉ hướng một hố đen cỡ một triệu Mặt trời ở trung tâm ngân hà của chúng ta. (Thực tế, có một số tranh cãi về việc thiên hà của chúng ta có chứa một hố đen ở tâm hay không, nhưng hãy cho là nó hiện đang có). Bắt đầu từ một con đường dài khỏi hố đen, bạn chỉ phóng tên lửa và lao vào. Điều gì xảy ra?

Đầu tiên, bạn không cảm thấy một sức mạnh trọng lực nào. Bởi vì bạn đang rơi tự do, mọi phần cơ thể bạn và tàu vũ trụ bị kéo theo cùng một hướng, và vì thế bạn cảm thấy không trọng lượng. (Điều này cũng chính là điều xảy ra với các phi hành gia trên quỹ đạo Trái Đất: thậm chí cả các phi hành gia và tàu đều bị kéo bởi lực hút của trái đất, họ không cảm thấy lực hút bởi vì mọi thứ đều bị hút về một hướng.) Khi bạn tiến gần hơn đến trung tâm hố đen, mặc dù, bạn bắt đầu cảm thấy chịu ảnh hưởng của trọng lực. Tưởng tượng chân bạn gần hố đen hơn đầu. Lực hút mạnh hơn khi bạn tiến gần đến trung tâm hơn, vì thế chân bạn bị hút mạnh hơn. Kết quả là chân bạn “dài ra”. (Lực này được gọi là lực thuỷ triều bởi vì nó giống hoàn toàn các lực gây ra thuỷ triều trên trái đất.) Các lực thuỷ triều đó càng lúc càng mạnh khi bạn tiến gần đến tâm và cuối cùng chúng sẽ xé toạc bạn ra.

Đối với một hố đen rất lớn như cái bạn đang rơi vào, các lực thuỷ triều không thực sự nhận thấy được cho tới khi bạn ở trong khoảng 600,000km từ tâm. Nhớ rằng điều này sau khi bạn đã vượt qua chân trời. Nếu bạn rơi vào một hố đen nhỏ hơn, như cái có trọng lượng tương đương Mặt Trời, các lực thuỷ triều sẽ bắt đầu làm bạn khó chịu khi bạn cách tâm 6,000km, và bạn sẽ bị xé rách bởi chúng trước khi bạn vượt qua chân trời. (Đó là điều tại sao chúng tôi đã quyết định để bạn nhảy vào một hố đen lớn thay vì cái nhỏ: chúng tôi muốn bạn còn sống ít nhất đến khi bạn đã lọt vào trong.)

Bạn sẽ thấy gì khi bạn đang rơi vào? Rất ngạc nhiên, bạn không cần thiết thấy bất kỳ thứ gì hay ho. Các hình ảnh của các vật ở xa có thể bị bóp méo theo những cách kỳ lạ, bởi vì trọng lực của hố đen uốn cong ánh sáng, nhưng đó chính là ánh sáng. Nói riêng, không có gì đặc biệt xảy ra vào thời điểm bạn vượt qua chân trời. Thậm chí sau khi bạn đã vượt qua chân trời, bạn vẫn có thể thấy các thứ bên ngoài: dù sao ánh sáng từ các vật bên ngoài vận đến được với bạn. Không ai ở ngoài có thể thấy bạn, tất nhiên, bởi vì ánh sáng từ bạn không thể thoát ra khỏi chân trời.

Cả quá trình đó diễn ra trong bao lâu? Tất nhiên, nó phụ thuộc vào việc bạn bắt đầu từ bao xa. Coi như bạn bắt đầu từ một điểm kỳ quặc mười lần lớn hơn bán kính của hố đen. Vì thế, đối với một hố đen cỡ 1 triệu Mặt Trời, bạn mất 8 phút để tiến tới chân trời. Bởi vì với khoảng cách đó, bạn chỉ cần mất 7 giây để chạm tới sự kỳ quặc. Nhân đây, khoảng cách thời gian này tỷ lệ với kích cỡ hố đen, nên nếu bạn nhảy vào một hố đen nhỏ hơn thời gian của bạn ngắn hơn nhiều.

Một khi bạn đã vượt qua chân trời, trong bảy giây còn lại của bạn, bạn có thể sẽ sợ hãi và bắt đầu khởi động tên lửa trong một cố gắng tuyệt vọng nhằm tránh điểm kỳ quặc. Không may thay, nó là vô vộng, bởi vì điểm kỳ quặc nằm trước tương lai bạn, và không có cách gì tránh khỏi tương lai. Trên thực tế, bạn càng bắn tên lửa nhiều, bạn càng nhanh tiến tới điểm kỳ quặc. Tốt nhất là cứ ngồi xuống và tận hưởng cuộc chơi.

Một người quan sát đứng yên tại một khoảng cách an toàn, nhìn một vật rơi vào trong hố đen. Cô ấy thấy gì?

Người quan sát thấy mọi thứ khá khác bình thường. Khi bạn tiến gần hơn, gần hơn tới chân trời, cô ấy thấy bạn càng lúc càng di chuyển chậm lại. Trên thực tế, không cần biết cô ấy chờ bao lâu, cô ấy sẽ không bao giờ hoàn toàn thấy bạn chạm tới chân trời.

Trên thực tế, dù nhiều hay ít thì thứ có thể nói về vật liệu tạo lên hố đen cũng như nhau lúc đầu. Coi như rằng hố đen được tạo từ một vụ sụp đổ sao. Khi vật liệu tạo lên hố đen sụp đổ, Penelope thấy nó ngày càng nhỏ hơn, tiến tới gần nhưng không bao giờ thực sự chạm tới bán kính Schwarzschild. Điều này giải thích tại sao lúc đầu hố đen được gọi là các ngôi sao đông cứng: bởi vì chúng dường như đông lạnh ở kích thước chỉ hơi lớn hơn bán kính Schwarzschild.

Tại sao cô ấy lại nhìn thấy mọi thứ theo cách đó? Cách tốt nhất để nghĩa về nó là nó thực sự chỉ là một ảo ảnh quang học. Nó không thực sự chiếm một khối lượng vô định thời gian để hình thành hố đen, và nó không thực sự chiếm một khối lượng vô định thời gian để bạn vượt qua chân trời. (Nếu bạn không tin tôi, hãy thử nhảy vào trong! Bạn sẽ vượt qua chân trời trong tám phút, và lao đến cái chết chỉ vài giây sau đó.) Khi bạn ngày càng tiến gần hơn đến chân trời, ánh sáng mà bạn phát ra ngày càng mất nhiều thời gian để quay trở lại với Penelope. Thực tế, bức xạ bạn phát ra khi bạn vượt qua chaâ trời sẽ lơ lửng ở chân trời đó mãi mãi và không bao giờ tới được chỗ cô ấy. Bạn đã vượt qua chân trời từ lâu, nhưng tín hiệu ánh sáng thông báo cho cô ta biết về điều đó sẽ không đến được chỗ cô ta trong một khoảng thời gian dài vô định.

Có cách khác để nhòm vào cái đó. Trong một cảm giác, thời gian trôi chậm hơn ở gần chân trời hơn ở nơi xa. Giả sử bạn lái con tàu vũ trụ và đỗ ở một điểm ngay bên ngoài chaâ trời, sau đó bạn lơ lửng ở đó một lúc (đốt một lượng cực lớn nhiên liệu để giữ bạn không bị rơi vào trong.) Sau đó bạn bay trở lại phía Penelope. Bạn sẽ thấy rằng cô ấy đã nhiều tuổi hơn bạn (trải qua nhiều thời gian hơn bạn) trong cả quá trình đó; thời gian trôi chậm hơn đối với bạn so với cô ấy. Vậy thì trong hai sự giải thích đó (một về ảo ảnh quang học hay một về thời gian trôi chậm lại) cái nào thực sự đúng? Câu trả lời tuỳ thuộc vào việc bạn sử dụng toạ độ nào để miêu tả hố đen. theo hệ toạ độ thường dùng, được gọi là ‘Hệ toạ độSchwarzschild’, bạn vượt qua chân trời khi toạ độ thời gian t là vô định. Vì vậy trong những toạ độ đó nó thực sự khiến bạn mất một khoảng thời gian vô định để vượt qua chân trời. Nhưng lý do của việc đó là vì các toạ độ Schwarzschild cung cấp một cái nhìn rất méo mó về điều đang xảy ra gần chân trời. Trên thực tế, ngay tại chân trời các toạ độ hoàn toàn bị bóp méo (hay, để sử dụng thuật ngữ tiêu chuẩn, “kỳ quặc”). Nếu bạn chọn sử dụng các hệ toạ độ không kỳ quặc ở gần chân trời, bạn sẽ thấy rằng thời gian khi bạn vượt qua chân trời quả thực có giới hạn, nhưng thời gian khi Penelope nhìn thấy bạn vượt qua chân trời là vô hạn. Sự bức xạ cần một khoảng thời gian vô định để đến được chỗ cô ta. Trên thực tế, mặc dù bạn được phép sử dụng bất kỳ hệ toạ độ nào, và vì thế cả hai cách giải thích đều có giá trị. Chúng chỉ là những cách khác nhau để nói về cùng một thứ.

Trong thực nghiệm, bạn sẽ thực tế trở thành không nhìn thấy được đối với Penelope trước khi quá nhiều thời gian đã trôi qua. Vì một điều, ánh sáng “bị kéo dãn về phía đỏ” thành những bước sóng dài hơn khi nó chạy ra từ hố đen. Vì thế nếu bạn bức xạ các ánh sáng nhìn thấy được ở một số bước sóng dài đặc biệt, Penelope sẽ thấy ánh sáng ở một số bước sóng dài hơn. Cuối cùng không còn ánh sáng nhìn thấy được nữa: sẽ là bức xạ tia hồng ngoại, sau đó sóng radio. Tại một số điểm chiều dài sóng sẽ dài đến mức cô ấy không thể quan sát chúng. Hơn nữa, hãy nhớ rằng ánh sáng được bức xạ trong những gói nhỏ riêng biệt được gọi là photon. Cho là bạn đang bức xạ photon khi bạn rơi qua chân trời. Tại một số điểm bạn sẽ bức xạ những photon cuối cùng trước khi bạn vượt chân trời. Photon đó sẽ tới với Penelope vào một khoảng thời gian xác định - điển hình là chưa đến một giờ đối với một hố đen cỡ một triệu Mặt trời – và sau đó cô ấy sẽ không bao giờ thấy bạn nữa. (Sau rốt, không một photon nào bạn bức xạ “sau khi” bạn vượt chân trời sẽ không bao giờ tới chỗ cô ấy.)

Nếu một hố đen tồn tại, nó có hút tất cả vật chất trong Vũ trụ?

Không. Mỗi hố đen có một “chân trời”, có nghĩa là một vùng mà từ đó bạn không thể thoát ra. Nếu bạn vượt qua chân trời, bạn bị bắt buộc cuối cùng phải chạm tới điểm kỳ quặc. Nhưng nếu bạn vẫn còn ở bên ngoài chân trời, bạn có thể tránh bị hút vào đó. Trên thực tế, đối với một người đang ở xa ngoài chân trời, trường hấp dẫn bao quanh một hố đen không khác gì trường hấp dẫn từ bất kỳ một vật thể nào khác có cùng khối lượng. Nói theo cách khác, một hố đen cỡ mặt trời cũng không khác gì một vật thể có khối lượng tương đương mặt trời (ví dụ như Mặt trời) về khoảng cách hút các vật.

Điều gì xảy ra nếu Mặt trời trở thành một hố đen?

Đầu tiên, hãy để tôi đảm bảo với bạn rằng Mặt trời không có ý định làm như vậy. Chỉ các ngôi sao có trọng lượng lớn hơn Mặt trời rất nhiều mới kết thúc cuộc đời của nó bằng cách trở thành một hố đen. Mặt trời sẽ tiếp tục tồn tại như vậy trong khoảng năm tỷ năm nữa hoặc hơn. Sau đó nó sẽ trải qua một pha ngắn như một ngôi sao đỏ khổng lồ, trong khoảng thời gian đó nó sẽ phình to và nhận chìm các hành tinh Sao Thuỷ và Sao Kim, và biến cuộc sống trên Trái Đất trở nên khá bất ổn (các đại dương sôi lên, khí quyển biến mất, và các thứ kiểu thế). Cuối cùng Mặt Trời sẽ kết thúc cuộc đời nó bằng cách biến thành một ngôi sao lùn trắng buồn tẻ. Nếu tôi là bạn, tôi sẽ sắp đặt kế hoạch để chuồn đi nơi khác trước khi điều đó xảy ra. Tôi cũng sẽ không mua bất kỳ thứ giao kèo Chính phủ 8 tỷ năm nào.

Nhưng tôi lạc đề một chút. Điều gì sẽ xảy ra nếu Mặt Trời biến thành một hố đen vì một lý do nào đó? Hậu quả chính xảy ra là mọi thứ xung quanh sẽ trở lên lạnh lẽo và tối tăm. Trái đất và các hành tinh khác sẽ không bị hút về phía hố đen; chúng vẫn giữ quỹ đạo theo đúng như chúng đã làm từ bao đời nay. Tại sao? Bởi vì chân trời của hố đen này sẽ rất nhỏ - chỉ khoảng 3km – và như chúng ta đã thấy ở phần trên, khi chúng ta vẫn ở đủ xa ngoài chân trời, lực hút của một hố đen không mạnh hơn bất kỳ một vật thể nào có cùng trọng lượng.

Có bất kỳ bằng chứng nào về việc hố đen tồn tại không?

Có, bạn không thể thấy trực tiếp một hố đen, tất nhiên là vậy, bởi vì ánh sáng không thể thoát ra khỏi chân trời. Điều đó có nghĩa là chúng ta phải dựa trên các chứng cớ không trực tiếp rằng hố đen tồn tại. Giả sử bạn đã tìm thấy một vùng không gian nơi bạn nghĩ rằng có thể có một hố đen. Làm sao bạn có thể kiểm tra là nó có ở đấy hay không? Điều đầu tiên bạn muốn làm là tính toán xem có bao nhiêu khối lượng trong vùng đó. Nếu bạn tìm thấy một khối lượng lớn tập trung bên trong một thể tích nhỏ, và nếu khối lượng đó tối, thế thì đã có một phán đoán tốt là ở đó có một hố đen. Có hai kiểu hệ thống mà các nhà thiên văn học tìm thấy các vật thể chắc nịch, khối lượng lớn và tối đó: trung tâm các thiên hà (có lẽ gồm cả Ngân hà của chúng ta), và các hệ thống đôi phát ra tia X trong chính Thiên hà của chúng ta.

Theo một bài báo gần đây của Kormendy and Richstone (xuất hiện trong lần xuất bản năm1995 của cuốn “Các báo cáo hàng năm của Thiên văn học và Vật lý học thiên thể” (Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics), tám thiên hà đã được quan sát thấy chứa những vật thể có khối lượng lớn và tối đó ở tâm. Khối lượng tại trung tâm các thiên hà đó nằm trong phạm vi từ một triệu đến nhiều tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Khối lượng được đo đạc bằng cách quan sát tốc độ các ngôi sao và khí quay quanh trung tâm Thiên hà: tốc độ quỹ đạo càng nhanh thì lực hút trung tâm càng phải lớn để giữ ngôi sao và khí trong quỹ đạo của nó. (Đây là cách thường được dùng nhất để đo khối lượng trong thiên văn học. Ví dụ, chúng ta đo khối lượng Mặt Trời bằng cách quan sát các hành tinh quay quanh chúng với tốc độ nhanh bao nhiêu, và chúng ta đo khối lượng các vật thể tối trong các thiên hà bằng cách đo đạc các vật thể quay ở quỹ đạo ngoài của nó có tốc độ bao nhiêu.)

Các vật thể tối có khối lượng khổng lồ ở trung tâm thiên hà đó được cho là các hố đen vì ít nhất hai lý do. Thứ nhất, rất khó để tưởng tượng ra chúng có thể là một thứ gì khác: chúng quá đặc và tối để là các ngôi sao hay các bầy sao. Thứ hai, lý thuyết nhiều triển vọng duy nhất để giải thích các vật thể bí ẩn được biết tới là các quasar và các thiên hà hoạt động đòi hỏi các thiên hà đó phải có các hố đen với khối lượng siêu khổng lồ ở trung tâm. Nếu lý thuyết này là chính xác, thì một phần lớn các thiên hà - tất cả những thứ hiện được biết đến hay được cho là các thiên hà hoạt động - phải có các hố đen với khối lượng siêu khổng lồ ở trung tậm. Gộp lại với nhau, các cuộc tranh cãi đó mạnh mẽ cho rằng trung tâm của các thiên hà đó có chứa hố đen, nhưng chúng vẫn chưa tạo thành một chứng minh tuyệt đối.

Hai phát hiện rất gần đây đã ủng hộ mạnh mẽ giả thuyết rằng các hệ thống đó thực sự chứa các hố đen. Thứ nhất, một thiên hà hoạt động gần đây được tìm thấy có chứa một hệ thống “water maser” (một nguồn các bức xạ vi sóng cực mạnh) gần tâm của nó. Sử dụng kỹ thuật dụng cụ đo giao thoa vạch ranh giới cực dài, một nhóm các nhà nghiên cứu đã có thể vẽ bản đồ việc phân bố tốc độ khí bên trong chưa đầy nửa năm ánh sáng của trung tâm thiên hà. Từ việc đo đạc này họ có thể kết luận rằng vật thể khối lượng khổng lồ ở trung tâm thiên hà này tập trung trong bán kính chưa tới nửa năm ánh sáng. Rất khó để tưởng tượng ra bất kỳ thứ gì khác ngoài hố đen có thể có một khối lượng lớn như vậy tập trung trong một thể tích nhỏ như vậy. (Kết quả này đã được Miyoshi và những người khác trích dẫn lại trong kỳ xuất bản ngày 12 tháng Một của tờ Nature, tập 373, trang 127.)

Một sự phát hiện thứ hai thậm chí còn cung cấp bằng chứng thuyết phục hơn. Các nhà thiên văn học tia X đã kiểm tra một đường quang phổ từ một tâm thiên hà cho thấy sự hiện diện của các nguyên tử gần tâm đang chuyển động với tốc độ cực lớn (khoảng 1/3 tốc độ ánh sáng). Hơn nữa, sự phát xạ từ các nguyên tử đó đã chuyển dịch về phía đỏ theo cách mà mọi người có thể cho rằng sự phát xạ đến từ gần trung tâm của hố đen. Những quan sát đó sẽ rất khó để giải thích trong bất kỳ cách nào khác ngoài hố đen, và nếu chúng được kiểm tra, thì giải thuyết rằng một số thiên hà chứa các hố đen khối lượng siêu lớn ở tâm sẽ được bảo đảm tuyệt vời. (Kết quả này được báo cáo trong kỳ xuất bản ngày 22 tháng Sáu 1995 của tờ Nature, tập 375, trang 659, bởi Tanaka và những người khác.) Một lớp các thứ có thể gọi là hố đen hoàn toàn khác biệt khác được tìm thấy ngay trong thiên hà của chúng ta. Chúng sáng hơn và là các hố đen kiểu sao, được cho là đã hình thành khi một ngôi sao có khối lượng lớn chấm dứt cuộc sống trong một vụ nổ sao siêu mới. Nếu một hố đen kiểu sao như vậy tắt đi ở một nơi nào đó, chúng ta sẽ không có nhiều hy vọng tìm thấy nó. Tuy nhiên, nhiều ngôi sao xuất hiện trong hệ sao đôi – các cặp sao quay với quỹ đạo xung quanh nhau. Nếu một ngôi sao trong hệ sao đôi đó trở thành hố đen, chúng ta có thể thám sát nó. Đặc biệt, trong một số hệ sao đôi chữa một vật thể nén như một hố đen, vật chất bị hút từ vật thể kia để tạo thành “một đĩa lớn dần lên” gồm các quặng xoáy về phía hố đen. Các vật chất trong đĩa lớn dần lên đó rất nóng và càng ngày càng rơi dần về phía hố đen, và nó phát ra lượng lớn bức xạ, đa số là tia X trong dải quang phổ. Nhiều “hệ sao đôi tia X” như vậy đã được biết tới, và một số chúng được cho là rất giống ứng cử viên hố đen.

Giả sử bạn đã tìm được một hệ sao đôi tia X. Làm sao bạn có thể nói rằng vật thể nén tối đó là một hố đen? Một điều chắc chắn bạn sẽ muốn làm là ước tính khối lượng của nó. Bằng cách đo đạc tốc độ quỹ đạo của ngôi sao nhìn thấy (cùng với một số ít thứ khác nữa), bạn có thể đưa ra khối lượng của vật thể đi kèm không nhìn thấy kia. (Kỹ thuật khá giống với cái chúng ta đã miêu tả phần trên đối với các hố đen có khối lượng siêu khổng lồ ở trung tâm thiên hà: các ngôi sao càng quay nhanh thì lực hấp dẫn càng phải lớn để giữ nó ở nguyên vị trí, và vật thể đi kèm không nhìn thấy đó có khối lượng càng lớn.) Nếu khối lượng của vật thể nén đó cực cực lớn, thế thì chưa có bất kỳ vật thể gì chúng ta đã biết có thể như vậy ngoài một hố đen. (Một ngôi sao thông thường với khối lượng như thế chắc chắn phải nhìn thấy. Tàn dư của một ngôi sao như một sao neutron sẽ không thể tự nó chống lại được trọng lực, và sẽ sụp đổ thành một hố đen.) Việc tổng hợp các ước tính khối lượng đó cùng một số nghiên cứu chi tiết về phát xạ từ đĩa lớn dần lên cung cấp các chứng cớ chi tiết đầy sức mạnh rằng vật thể nghi vấn đó quả thực là một hố đen. Có rất nhiều vật như thế được cho là giống hố đen tuy về chứng cớ có ít hơn. Hơn nữa, lĩnh vực nghiên cứu này đã trở nên rất sôi động từ năm 1992, và số lượng những vật được coi là ứng cử viên lớn đã tăng thêm hơn ba lần.

Các hố đen chết như thế nào?

Đây là một vấn đề hóc búa. Quay trở lại thập kỷ 1970, Stephen Hawking đặt ra các cuộc tranh cãi lý thuyết cho thấy rằng các hố đen không thật sự hoàn toàn đen: vì các hiệu ứng cơ học lượng tử, chúng phát xạ. Năng lượng sản xuất ra bức xạ có được từ khối lượng của hố đen. Vì vậy, hố đen dần co lại. Cuối cùng tỷ lệ bức xạ tăng lên khi khối lượng giảm xuống, vì vậy hố đen tiếp tục bức xạ ngày càng nhiều và từ từ co lại ngày càng nhanh tới khi nó có lẽ biến mất hoàn toàn.

Hiện tại, không ai thật sự chắc chắn điều gì xảy ra ở giai đoạn cuối sự biến mất của hố đen: một số nhà nghiên cứu nghĩ rằng một thứ nhỏ bé và rắn chắc sẽ còn sót lại. Các lý thuyết hiện nay của chúng ta chỉ đơn giản là chưa đủ tốt để có thể nói chắc về cách này hay cách kia. Khi mà tôi còn chưa nhận, hãy để tôi thêm rằng toàn bộ vấn đề về sự bay hơi của hố đen hoàn toàn có tính suy đoán. Nó liên quan tới việc xác định được cơ học lượng tử trình bày thế nào (hay thậm chí lý thuyết trường lượng tử) các tính toán trong đường cong không thời gian, đây là một nhiệm vụ vô cùng khó khăn, và đưa ra các kết quả về bản chất là không thể thử nghiệm bằng thí nghiệm. Các nhà vật lý nghĩ rằng chúng ta đã có các lý thuyết chính xác để đưa ra các phán đoán về sự bay hơi hố đen, nhưng với việc không có thí nghiệm kiểm chứng thì không thể biết chắc. Bây giờ tại sao các hố đen lại bay hơi? Đây là một cách để có một cái nhìn vào đó, nó chỉ đúng ở mức vừa phải. (Tôi không nghĩ có thể làm việc gì tốt hơn điều đó, trừ khi bạn muốn bỏ một vài năm để học về lý thuyết trường lượng tử trong không gian cong.) Một trong những hậu quả của nguyên lý không chắc chắn về cơ học lượng tử là luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm, nhưng chỉ trong những thời hạn rất ngắn. Vũ trụ có thể tạo ra khối lượng và năng lượng ở một nơi nào đó, nhưng chỉ khi khối lượng và năng lượng lại biến mất đi một cách nhanh chóng. Một cách riêng biệt khi hiện tượng kỳ lạ này tự biểu hiện là khi nó xuất hiện dưới dạng những sự dao động bất thường của chân không. Cặp đôi gồm thực tiễn và phản thực tiễn có thể xuất hiện ở đâu đó, tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn, và sau đó huỷ diệt lẫn nhau. Bảo toàn năng lượng bị vi phạm khi các thực tiễn được tạo ra, nhưng toàn bộ năng lượng đó bị giữ lại khi chúng huỷ diệt lẫn nhau một lần nữa. Cũng kỳ lạ như tất cả những thứ đó, hiện tại chúng ta đã xác nhận về mặt thực nghiệm rằng những sự dao động bất thường của chân không đó là sự thực.

Bây giờ, giả sử một trong những sự bất thường của chân không đó xảy ra gần chân trời của một hố đen. Điều có thể xảy ra là một trong hai thực tiễn rơi vào trong chân trời, trong khi cái kia thoát ra. Cái thoát ra mang theo năng lượng thoát khỏi hố đen và có thể được nhận thấy bởi một nhà quan sát ở xa. Đối với nhà quan sát đó, nó sẽ trông giống như hố đen vừa nhả ra một thực tiễn. Quá trình này diễn ra nhiều lần, và người quan sát thấy một dòng suối liên tục các bức xạ từ hố đen.

Liệu hố đen sẽ không bị bốc hơi mất khỏi tôi trước khi tôi chạm tới nó?

Chúng ta đã quan sát thấy rằng, từ điểm quan sát của người bạn của bạn Penelope người đang đứng an toàn bên ngoài hố đen, bạn mất một thời gian vô định để vượt qua chân trời. Chúng ta cũng quan sát thấy rằng các hố đen bốc hơi thông qua bức xạ Hawking trong một khoảng thời gian xác định. Bởi thế vào thời điểm bạn chạm tới hố đen, hố đen sẽ biến mất, phải vậy không? Sai. Khi chúng ta nói Penelope sẽ thấy bạn cần thời gian vĩnh cửu để vượt qua chân trời là chúng ta đang tưởng tượng một hố đen không bốc hơi. Nếu hố đen đang bốc hơi, điều đó sẽ làm thay đổi mọi thứ. Bạn của bạn sẽ thấy bạn vượt qua chân trời cùng lúc cô ta thấy hố đen bốc hơi. Hãy để tôi thử miêu tả tại sao điều này lại đúng.

Hãy nhớ điều chúng ta đã nói ở trên: Penelope là nạn nhân của một ảo ảnh. Ánh sáng mà bạn phát ra khi bạn ở rất gần chân trời (nhưng vẫn đang ở bên ngoài) cần khoảng thời gian rất dài để thoát ra ngoài và quay trở lại chỗ cô ta. Nếu hố đen tồn tại vĩnh viễn, vì thế ánh sáng sẽ cần một khoảng thời gian cực dài để thoát ra, và đó giải thích tại sao cô ấy không thấy bạn vượt qua chân trời trong một khoảng thời gian cực lớn (thậm chí là vô định). Nhưng một khi hố đen đã bốc hơi, không có điều gỉ cản trở ánh sáng mang thông tin rằng bạn sắp vượt qua chân trời tới chỗ cô ta. Trên thực tế nó tới chỗ cô ta đúng vào lúc vụ nổ cuối cùng của bức xạ Hawkin. Tất nhiên không có cái gì của nó có ý nghĩa đối với bạn: bạn từ lâu đã vượt qua chân trời và bị đẩy về điểm kỳ quặc. Xin lỗi bạn về điều đó, nhưng bạn đã phải nghĩ về nó trước khi bạn nhảy vào.

Cái gì là một hố trắng?

Những sự cân bằng của thuyết tương đối rộng có một tính chất toán học rất hay: chúng đối xứng theo thời gian. Điều này có nghĩa bạn có thể lấy bất kỳ một nghiệm nào của sự cân bằng và tưởng tượng rằng thời gian đang trôi giật lùi nhiều hơn trôi tiến, và bạn sẽ có một nghiệm có giá trị khác của sự cân bằng. Nếu bạn áp dụng quy luật này cho nghiệm miêu tả hố đen, bạn có một vật được biết như là một hố trắng. Bởi vì một hố đen là một vùng không gian mà không một vật nào có thể thoát khỏi nó thì đối nghịch theo thời gian của một hố đen là một vùng không gia mà không một vật nào có thể rơi vào đó. Trên thực tế, một hố đen chỉ có thể nuốt vật khác vào, một hố trắng chỉ có thể phun vật khác ra.

Các hố trắng hoàn toàn có thể về mặt nghiệm toán học của sự đối xứng của thuyết tương đối rộng, nhưng điều đó không có nghĩa là chúng hiện đang tồn tại trong tự nhiên. Trên thực tế chúng hầu như không thể tồn tại, bởi vì không có cách nào để tạo ra một hố như thế. (Để tạo ra một hố trắng là điều không thể cũng như để tiêu diệt một hố đen, bởi vì cả hai thứ đó diễn ra trong chiều thời gian đảo ngược của nhau.)

Cái gì là một hố giun?

Cho đến giờ, chúng ta chỉ coi cái thông thường các hố đen “vanilla”. Một cách cá biệt, chúng ta đã nói về các hố đen không quay và không được nạp điện. Nếu chúng ta coi các hố đen quay và/hay được nạp, mọi điều trở nên phức tạp hơn. Đặc biệt, không thể rơi vào một hố đen như thế và không chạm vào điểm kỳ quặc. Trên thực tế, bên trong của một hố đen quay và được nạp có thể “nối ghép với nhau” với một hố đen tương đương theo một cách mà bạn có thể rơi vào hố đen và bị hố trắng đẩy ra. Sự tổng hợp này của hố trắng và hố đen được gọi là hố sâu. Hố trắng có thể ở đâu đó rất xa khỏi hố đen; đúng vậy, nó có thể thậm chí ở một “Vũ trụ khác” – đó là, một vùng không thời gian mà riêng ra khỏi hố sâu, nó hoàn toàn liên kết với vùng của riêng chúng ta. Một hố sâu nằm ở một điểm thuận tiện vì thế có thể cung cấp một cách thuận tiện và nhanh chóng để đi qua các khoảng cách rất lớn, hay thậm chí đi tới một Vũ trụ khác. Có thể sự tồn tại của hố sâu trải ra trong quá khứ, vì thệ bạn có thể đi ngược thời gian bằng cách đi qua nó. Tất cả những thứ này nghe ra khá thú vị.

Nhưng trước khi bạn dựa vào nghiên cứu đó để tìm kiếm nó, có đôi điều bạn cần biết. Đầu tiên, các hố sâu hầu như không tồn tại. Như chúng ta đã nói trên trong phần về các hố trắng, chỉ bởi vì một thứ có giá trị nghiệm toán học đối với các sự cân bằng không có nghĩa rằng thứ đó tồn tại trên thực tế trong tự nhiên. Đặc biệt, các hố đen được tạo thành từ các vụ sụp đổ của các vật chất thông thường (gồm tất cả các hố đen mà chúng ta nghĩ là có tồn tại) không tạo nên các hố sâu. Nếu bạn rơi vào một trong những hố đó, bạn sẽ không bị tống ra ở một nơi nào khác. Bạn sẽ chạm tới điểm kỳ quặc, và đó là tất cả những gì xảy ra.

Hơn nữa, thậm chí nếu một hố sâu được tạo ra, mọi người cho rằng nó sẽ không ổn định. Thậm chí với trạng thái mỏng manh nhất (gồm cả trạng thái cố gắng của bạn để đi qua nó) sẽ dẫn nó tới việc sụp đổ.

Cuối cùng, thậm chí nếu các hố sâu tồn tại và ổn định, khá khó khăn để đi qua chúng. Bức xạ đổ vào trong hố sâu (từ các ngôi sao gần đó, màn vi sóng vũ trụ, vv.) sẽ lên ở mức tần số cực cao. Khi bạn cố vượt qua hố sâu, bạn sẽ bị nướng chín bởi các tia X và tia gamma đó.

Tôi có thể học thêm về các hố đen ở đâu?

Hãy để tôi bắt đầu bằng cách báo cho bạn rằng tôi đã nhặt một số trong những thứ bên trên từ các bài viết về hố đen trong danh sách Các câu hỏi thường được đặt ra cho Usenet newgroup sci.physics. Ấn bản sci.physics FAQ được xuất bản hàng tháng cho các sci.physics và cũng được cung cấp bởi các fpt nặc danh từ rtfm.mit.edu (và có thể ở những địa chỉ khác). Bài báo về các hố đen, rất hay, được viết bởi Matt Mclrvin. FAQ cũng có những bài rõ ràng khác.

Có rất nhiều sách về hố đen và những thứ liên quan. Cuốn “Hố đen và Không thời gian bị uốn cong: di sản kỳ quặc nhất của Einstein do Kip Thorne viết là một cuốn hay. Cuốn “Hố đen và Không thời gian bị uốn cong” của William Kaufmann cũng đáng đọc. Cuốn “Không gian, Thời gian và Trọng lực” của R. Wald là một sự giải thích về thuyết tương đối rộng cho những người không phải là nhà khoa học. Tôi vẫn chưa đọc nó, nhưng đã được nghe những lời khen ngợi về nó.

Các quyển sách trên đều hướng tới đối tượng độc giả không có nhiều kiến thức về vật lý. Nếu bạn muốn có thêm “thịt” (ví dụ, thêm nhiều phần toán học), có thể bạn nên bắt đầu với cuốn về những căn bản về lý thuyết tương đối. Cuốn hay nhất về vấn đề này là quyển “Vật lý Không thời gian” của E.F. Taylor and J.A. Wheeler. Cuốn sách này phần lớn về thuyết tương đối hẹp, nhưng phần cuối tranh cãi về thuyết tương đối rộng). Taylor và Wheeler đã hứa hẹn từ khoảng hai năm nay về việc xuất bản một cuốn tiếp theo với tựa đề “Do thám các hố đen,” cuốn này có lẽ sẽ khá hay khi xuất hiện. “Vật lý Không thời gian” không giả định rằng bạn biết nhiều về vật lý, nhưng nó giả định rằng bạn muốn làm việc nhiều để am hiểu vấn đề. Nó không phải là cuốn dễ đọc, mặc dù nó được viết theo kiểu khá vui nhộn và ít đáng sợ hơn đa số những cuốn vật lý khác.

Cuối cùng, nếu cuốn “Vật lý không thời gian” còn chưa đủ cho bạn, bạn có thể đọc bất kỳ cuốn nào nói về thuyết tương đối rộng sau. Cuốn “Bài học đầu tiên về Thuyết tương đối rộng” của B. Schutz và cuốn “Thuyết tương đối hẹp” của W. Rindler là hai cuốn có triển vọng. Và dành cho độc giả dũng cảm nhất với một trình độ vật lý hoàn hảo có cuốn sách về thuyết tương đối rộng của các ông Misner, Thorne, và Wheeler tựa đề “Sức hấp dẫn”. Cuốn “Thuyết tương đối rộng” của R. Wald ở mức có thể so sánh được với cuốn “Sức hấp dẫn,” mặc dù kiểu viết của hai cuốn hoàn toàn khác nhau. Những điều nhỏ bé mà tôi biết về sự bốc hơi hố đen có được từ cuốn sách của Wald. Hãy để tôi nhấn mạnh rằng tất cả các cuốn sách trên, và đặc biệt là hai cuốn cuối cùng đều giả định rằng bạn biết khá về vật lý. Chúng không dành cho những người yếu tim.

Liên kết ngoài