Cách tính toán số lượng lỗ đen trong vũ trụ là gì?

Ước mơ và quan điểm của Stephen Hawking không chỉ dừng lại ở việc hiểu về chức năng tổng thể của lỗ đen mà còn ở việc thực hiện các quan sát thực tế về chúng.

Có nhiều lỗ đen hơn rất nhiều so với các vật thể khác trong vũ trụ, và số lượng của chúng cũng rất lớn. Nguồn gốc và quá trình hình thành của chúng kể lên cả quá khứ và tương lai của vũ trụ. Nếu Stephen Hawking nhìn thấy những tiến bộ nghiên cứu hiện đại về lỗ đen, ông sẽ rất vui mừng. Ước mơ và tầm nhìn của ông không chỉ dừng lại ở việc hiểu về chức năng tổng thể của lỗ đen mà còn ở việc thực hiện các quan sát thực tế về chúng.

Cuối cùng, Hawking không chỉ làm mới những giả định cũ về lỗ đen mà còn cung cấp cơ sở cho những dự đoán ban đầu về chúng. Dựa trên nghiên cứu của Hawking, các nhà khoa học ngày nay có thể đạt được tiến bộ đáng kể. Khái niệm về 'lỗ đen' có thể gợi mở ra nhiều suy tưởng trong tâm trí, khiến chúng ta nghĩ rằng chúng là các thiên thể chết chóc mang theo nguy cơ to lớn. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa thể hiểu hết vẻ đẹp và sức mạnh thực sự của lỗ đen.

Lỗ đen là gì?

Lỗ đen, hay hố đen, thường ám chỉ một vùng không gian trong vũ trụ nơi có lực hút cực lớn và vật chất, ánh sáng, hoặc thậm chí cả bức xạ cũng khó thoát ra khỏi bên trong chúng. Do đó, chúng ta không thể quan sát trực tiếp chúng.

Nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến hình thành lỗ đen là sự chết của các ngôi sao. Tuy vậy, mặc dù không nhìn thấy trực tiếp, chúng ta có thể sử dụng các công cụ thiên văn tiên tiến để quan sát cấu trúc và hành vi của các ngôi sao xung quanh lỗ đen. Khi những ngôi sao này tiến gần lỗ đen, chúng sẽ có những biến động đặc biệt.

Cấu trúc của lỗ đen

Đầu tiên, cần hiểu rõ khái niệm 'chân trời sự kiện' là gì. Đây là một đường cong phân biệt giữa thời gian và không gian, đồng thời cũng là biên giới của một lỗ đen. Đường chân trời sự kiện của một lỗ đen được chia thành phần bên ngoài và phần bên trong; lỗ đen không quay còn được gọi là lỗ đen Schwarzschild, và hai phần của đường chân trời sự kiện này trùng nhau. Khi vượt qua chân trời sự kiện, lỗ đen có thể hiệu quả chuyển đổi khối lượng vật chất vào năng lượng. Khái niệm chân trời sự kiện được đề xuất lần đầu bởi nhà triết học tự nhiên người Anh John Michell vào thế kỷ 18, và sau đó được Wolfgang Lindler xác định là một thuật ngữ đặc biệt.

Một khái niệm khác thú vị về lỗ đen là 'điểm kỳ dị', tức là điểm tập trung toàn bộ khối lượng của lỗ đen trong không gian và thời gian. Tại điểm này, vật chất bị nén thành điểm rất nhỏ với mật độ cực lớn và lực hút mạnh vào bên trong. Theo thuyết tương đối rộng, khi một lỗ đen Schwarzschild không quay được hình thành, vật chất trong chân trời sự kiện của nó chắc chắn sẽ sụp đổ dưới tác động của lực hấp dẫn, tạo ra một điểm có mật độ vô hạn, gọi là điểm kỳ dị.

Lỗ đen hình thành như thế nào? Kích thước của lỗ đen có thể lớn đến đâu?

Mặc dù hầu hết các nhà khoa học tin rằng các lỗ đen đầu tiên xuất hiện khi vũ trụ mới bắt đầu mở rộng, các lỗ đen sau này được hình thành khi lõi của các ngôi sao siêu lớn sụp đổ. Tuy nhiên, các lỗ đen siêu lớn được cho là đã hình thành đồng thời với các thiên hà của chúng.

Hầu hết các lỗ đen (nếu không phải tất cả) đều có một điểm chung, đó là lịch sử từ cái chết của ngôi sao mẹ. Khi năng lượng của ngôi sao cạn kiệt, quá trình đầu tiên xảy ra là chuyển hydro thành heli, sau đó khi hết hydro, heli tiếp tục bị đốt cháy và chuyển hóa thành các nguyên tố nặng hơn. Do khối lượng lớn của lõi ngôi sao, quá trình sụp đổ có thể diễn ra không ngừng, cuối cùng tạo ra một lỗ đen.

Một số lỗ đen (hay còn gọi là lỗ đen thu nhỏ) có thể chỉ nhỏ bằng một nguyên tử, trong khi những lỗ đen khác lại khổng lồ đến mức có thể nuốt chửng cả một thiên hà chỉ trong một lần và có thể tập hợp khoảng 1 triệu ngôi sao lại với nhau.

Làm thế nào để chúng ta xác định vị trí các lỗ đen?

Câu hỏi này có vẻ như vô lý ban đầu, một số người có thể nghĩ, nếu ánh sáng không thể thoát ra khỏi lỗ đen, thì làm sao chúng ta có thể xác định được vị trí của lỗ đen? Tuy nhiên, bằng cách quan sát cẩn thận các đặc điểm của lỗ đen, các nhà khoa học có một số cách để định vị chính xác chúng ở khoảng cách xa.

Phương pháp đầu tiên là quan sát các hiệu ứng hấp dẫn của các lỗ đen. Bất kỳ lỗ đen nào cũng sẽ gây ra hiệu ứng hấp dẫn mạnh mẽ, kéo các thực thể gần đó vào và cuối cùng chúng sẽ rơi vào bên trong lỗ đen. Phương pháp này tuy đơn giản nhưng lại phụ thuộc nhiều vào may mắn, vì nhiều hiện tượng khác cũng có thể tạo ra hiệu ứng tương tự.

Phương pháp thứ hai liên quan đến việc tìm kiếm các tín hiệu tia X có thể có. Khi vật chất rơi vào lỗ đen, nó sẽ tập trung lại thành một cấu trúc dày đặc, ngay ở chân trời sự kiện. Trong một số trường hợp, năng lượng cực cao sẽ được chuyển hóa thành bức xạ và giải phóng ra ngoài, điều này giúp chúng ta có thể phát hiện những lỗ đen khổng lồ này trong vũ trụ.

Có bao nhiêu lỗ đen trong vũ trụ?

Mật độ của một lỗ đen sẽ thay đổi theo những thay đổi về đặc tính không gian, như loại thiên hà và các loại sao trong thiên hà. Để ước tính số lượng lỗ đen trong một thiên hà, chúng ta cần thực hiện các quan sát sâu sắc về sự hình thành của bụi và khí. Hành vi của hai lỗ đen liền kề phần lớn bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của nhau, do đó giới hạn khoảng cách giữa hai lỗ đen.

Các nhà khoa học ước tính rằng có khoảng 100 nghìn tỷ lỗ đen trong vũ trụ có thể quan sát được trong phạm vi mà chúng ta có thể cảm nhận được. Con số này trông có vẻ lớn, nhưng trên thực tế chỉ có khoảng 100 đến 200 lỗ đen được định vị chính xác.

Ví dụ, các nhà khoa học đã phát hiện sự tồn tại của các lỗ đen siêu lớn và chuẩn tinh như 1ES 2344 + 514, Fornax A; HLX-1 hiện được biết đến là nguồn tia X siêu sáng có độ sáng cao nhất và được coi là một lỗ đen khối lượng trung bình; ngoài ra, các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra các lỗ đen dạng sao như GX 339-4/ V821 Ara.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng đề xuất khái niệm hệ thống lỗ đen, dùng để chỉ sự tồn tại của nhiều hơn một lỗ đen trong một phạm vi nhất định. Các hệ thống này có các thuộc tính duy nhất, có thể là từ lỗ đen lớn nhất trong hệ thống hoặc là kết quả tổng hợp của tất cả các thuộc tính của lỗ đen.

Làm thế nào để chúng ta ước tính số lượng lỗ đen?

Để ước tính số lượng lỗ đen gần đúng trong vũ trụ, bước đầu tiên là phân chia các khu vực dựa trên các đặc điểm nhất định như khoảng cách gần với một thiên hà hoặc ngôi sao. Bằng cách quan sát cùng một tập hợp các thuộc tính và áp dụng chúng vào các điểm khác nhau trong cùng một khu vực, có thể ước tính số lượng lỗ đen trung bình, có thể có sai số từ 10 đến 20 lỗ đen.

Bước tiếp theo là tìm kiếm những điểm tương đồng giữa nhiều vùng trọng điểm và phân loại các lỗ đen thành siêu tân tinh, chuẩn tinh, v.v. Vì mỗi loại lỗ đen sẽ có những đặc điểm rất khác nhau, nên có thể tìm thấy nhiều loại lỗ đen trong một phạm vi nhất định.

Nghiên cứu về lỗ đen vẫn đang mở rộng. Để hiểu rõ hơn về những bí ẩn của chúng, có lẽ chúng ta phải đi qua nhiều thế hệ nghiên cứu. Đây là một cuộc hành trình khó khăn, nhưng nó có thể giúp chúng ta khám phá ra nhiều điều về quá khứ và tương lai của vũ trụ. Chỉ có thời gian mới có thể chứng minh xem những tưởng tượng trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng có phản ánh sự thật hay không.