Buzz
Câu hỏi tưởng như đùa này thực tế bắt nguồn từ một trong những nhà vật lý vĩ đại, Stephen Hawking, từ những năm 1970. Mô hình máy tính gần đây mang lại những kết quả gây ngạc nhiên. Nhưng trước hết, hãy thảo luận một chút về lỗ đen. Có thể nói rằng phần lớn chúng ta hiểu sai về lỗ đen hoặc đơn giản là đang bị ảnh hưởng bởi những quan điểm định kiến do truyền thông tạo ra. Hay nói một cách đơn giản hơn, lỗ đen không đáng sợ như chúng ta vẫn nghĩ.Khối lượng là chìa khóa quyết định
Khám phá công thức vật lý ẩn sau lực hấp dẫn
Trong thế giới vũ trụ, mọi thứ đều tuân theo quy luật lực hấp dẫn. Nếu lỗ đen có khối lượng bằng Trái Đất và cách bạn 6400 km, nó chỉ hút bạn bằng lực hấp dẫn của Trái Đất. Tương tự, nếu nó bằng Mặt Trời và bạn ở cách 1 AU, bạn sẽ trải qua lực hấp dẫn tương đương với Mặt Trời. Vì vậy, khi đọc về lỗ đen, hãy kiểm tra khối lượng và khoảng cách trước tiên.
Kích thước ẩn sau của Mặt Trời và Trái Đất nếu biến thành lỗ đen
Khối lượng vô song là nguồn nỗi sợ
Một lỗ đen ẩn trong trái tim của Mặt Trời?
Ý tưởng này đã được Hawking đề xuất gần nửa thế kỷ trước. Các ngôi sao có lỗ đen bên trong được biết đến là sao Hawking. Tuy nhiên, khi đó, khả năng tính toán của loài người còn hạn chế, giới hạn sự hiểu biết về sao Hawking. Ngày nay, với sự hỗ trợ đáng kể từ máy tính, nhiều vấn đề đã tìm thấy câu trả lời. Những thông tin chúng ta đọc ở đây là kết quả của sự nghiên cứu chung từ nhiều nhà vật lý trên khắp thế giới, dẫn đầu bởi Học viện Max Planck (Đức). Chi tiết đầy đủ được công bố trên Tạp chí Vật lý Thiên văn (The Astrophysical Journal).
Mặc dù có thể tồn tại một lỗ đen bí ẩn bên trong Mặt Trời, nhưng không có gì đáng lo ngại
Để một lỗ đen 'lớn' hơn, nó cần thêm vật chất, tuy nhiên, tốc độ 'tiêu thụ' là có giới hạn
Có một vấn đề mà nhiều người thường bỏ qua khi nói về lỗ đen - đó là chúng như những chiếc máy đốt nhiên liệu cực kỳ hiệu quả. Tính tồn tại của một ngôi sao cơ bản là kết quả của sự 'đấu tranh' giữa áp suất hấp dẫn (do khối lượng vật chất tạo ra) đổ vào và áp suất hợp nhất đẩy ra ngoài. Khi sự cân bằng giữa hai yếu tố này được duy trì, ngôi sao tiếp tục 'sống' mạnh mẽ. Lỗ đen cũng theo cách này - chúng không chỉ 'hút' vào mà còn 'phát' ra năng lượng. Nếu không gian xung quanh lỗ đen đầy đặc vật chất, lỗ đen sẽ 'cố gắng' đẩy vật chất ra xung quanh, góp phần nhỏ vào quá trình duy trì áp lực trong lòng ngôi sao. Nói cách khác, ngôi sao cũng bị 'tiêu thụ' từ bên trong, nhưng không nghiêm trọng nếu lỗ đen không quá 'lớn' và ảnh hưởng không quá nặng nề.Các Tình Huống Độc Đáo
Trong một phân tích chi tiết, nhóm nghiên cứu thảo luận về viễn cảnh Mặt Trời có một lỗ đen với khối lượng chỉ bằng 10^-11 khối lượng của Mặt Trời ngay từ khi nó mới hình thành. Nếu Mặt Trời không có lỗ đen, quá trình hợp nhất của hydrogen sẽ kéo dài khoảng 11 tỷ năm cho đến khi hình thành hạt nhân helium và đồng thời bán kính của Mặt Trời sẽ mở rộng lên gấp 100 lần sau 12 tỷ năm, khiến cho Mặt Trời trở thành một ngôi sao khổng lồ đỏ. Đây là một tình huống phổ biến mà chúng ta đã nghe nhiều lần, và Trái Đất có thể đối mặt với nguy cơ bị xóa sổ trong giai đoạn này.
Viễn Cảnh với Lỗ Đen Khối Lượng 10^-11 Mặt Trời
Tuy nếu lỗ đen nặng 10^-11 Mặt Trời, mọi thứ sẽ vẫn 'ưng' trong 6 tỷ năm đầu tiên (chúng ta hiện đang ở giai đoạn 4.752 tỷ năm). Ở thời điểm hiện tại, khối lượng của lỗ đen chỉ tăng thêm 10 lần (10^-10), Mặt Trời hầu như không có gì khác so với kịch bản thông thường. Sau chỉ 6 tỷ năm, quá trình hợp nhất của hydrogen sẽ kết thúc vì lỗ đen hiện tại chiếm khoảng 1/1000 Mặt Trời. Sức hút của lỗ đen tạo ra khiến mật độ vật chất trong Mặt Trời không còn đủ 'đậm đặc' để tổng hợp hạt nhân. Mặt Trời vẫn 'sáng' do quá trình 'tiêu thụ' của lỗ đen thực sự là một cỗ máy tạo ra bức xạ. Trái Đất vẫn nhận được 'sự ấm áp' từ Mặt Trời, nhưng thay vì từ quá trình hợp nhất thì nó đến từ quá trình tái tạo vật chất.
Một điều thú vị là sau 6 tỷ năm, ngôi sao Hawking của chúng ta sẽ 'mở rộng' nhẹ. Vì lý do như đã mô tả, mật độ vật chất không còn đậm đặc như giai đoạn hợp nhất nên vật chất sẽ bị 'phân tán' đi một chút. Tuy nhiên, vì không có nhân helium, giai đoạn sao khổng lồ đỏ sẽ không xảy ra. Kích thước của Mặt Trời có tăng lên, nhưng không đủ để 'nuốt chửng' cả sao Thủy (Mercury), sao Kim (Venus) và Trái Đất. Nói cách khác, Trái Đất sẽ 'thoát khỏi' vận mệnh khó khăn này! Tuy nhiên, nhiệt độ bề mặt của hành tinh xanh sẽ tăng lên đến 250 °C và các đại dương sẽ biến mất...
Trái Đất có thể 'sống khá tốt' nếu Mặt Trời là một lỗ đen
Nhóm nghiên cứu cũng đề xuất một tình huống khác, khi lỗ đen khởi nguồn với khối lượng là 10^-10 Mặt Trời (tăng 10 lần so với kịch bản trước). Trong tình huống này, quá trình 'tiêu thụ' của lỗ đen diễn ra nhanh hơn đáng kể. Sau 2.5 tỷ năm, quá trình hợp nhất kết thúc. Lúc này, độ sáng của Mặt Trời hoàn toàn phụ thuộc vào bức xạ tạo ra từ quá trình tái tạo vật chất xung quanh lỗ đen. Sau 4.752 tỷ năm (tuổi hiện tại của Mặt Trời), độ sáng của hệ sao-lỗ đen vượt xa nhiều so với kịch bản thông thường. Thông tin này chứng minh rằng không thể có một lỗ đen nặng hơn 10^-10 khối lượng của Mặt Trời ngay từ khi Mặt Trời mới hình thành.
Không có khả năng xuất hiện lỗ đen nặng hơn 10^-10 Mặt Trời từ đầu
Tuy nhiên, với kịch bản khối lượng lỗ đen nhỏ hơn hoặc bằng 10^-11 Mặt Trời từ đầu, điều này là hoàn toàn khả thi. Như đã nói, ảnh hưởng của lỗ đen ở giai đoạn này gần như không thể phát hiện ra.Liệu có thể phát hiện lỗ đen trong trái tim Mặt Trời?
Dựa vào những điều trình bày, ta thấy cuộc sống cuối cùng của một ngôi sao thông thường và sao Hawking là hoàn toàn khác biệt. Trước hết, quá trình hình thành nhân helium không tồn tại đối với sao Hawking. Ngôi sao thông thường sẽ trở thành một sao khổng lồ đỏ sau khi 'đốt' hết helium khi nguồn hydrogen cạn kiệt. Trái lại, sao Hawking không có nhân helium, chỉ trở thành một 'tiểu' sao khổng lồ và kết thúc dưới dạng lỗ đen có khối lượng nhỏ hơn so với ngôi sao khởi đầu. Nhưng tất cả những sự kiện này mất hàng tỷ năm để diễn ra và chúng ta không có đủ thời gian để chứng minh điều này.
Sao Hawking từ bên ngoài không khác biệt so với sao thông thường
Dù vậy, cơ bản, ngôi sao thông thường và sao Hawking sẽ khác nhau bởi sự có hay không của nhân đặc trưng. Nhưng nhóm nghiên cứu cho biết bằng cách sử dụng kỹ thuật chấn động học sao (asteroseismology), chúng ta có thể vẫn nhận diện được liệu lòng ngôi sao có bị trống trơn hay không. Chấn động học, tương tự như phương pháp chúng ta sử dụng để xem xét cấu trúc của Trái Đất, cũng có thể giúp chúng ta 'nhìn' vào bên trong một ngôi sao như thế nào.
Mô hình sóng âm có thể phản ánh cấu trúc của một ngôi sao
Một ngôi sao 'đặc' thông thường sẽ trải qua quá trình bồi tụ ở lõi. Sự bồi tụ vật chất này tạo ra các 'lớp' có đặc điểm khác nhau, khi sóng âm đi qua sẽ tạo ra các biến động khác nhau. Ngược lại, ngôi sao trống trơn có thể tạo ra tình trạng 'đối lưu' vì không có dòng vật chất 'đổ' vào trung tâm. Điều này có thể dẫn đến mật độ vật chất trong sao Hawking được 'đồng đều' khắp nơi và tạo ra chấn động sóng âm khác biệt so với ngôi sao có nhân đặc. Tuy nhiên, đây chỉ là giả thuyết của nhóm nghiên cứu và không rõ liệu lỗ đen có kích thước quá nhỏ có tác động thực tế hay không. Dù sao, hướng đi này cũng mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới cho cộng đồng khoa học.Đặt Câu Hỏi về Vật Chất Tối
Một trong những thách thức lớn của vật lý hiện đại là vật chất tối, chiếm phần lớn khối lượng trong vũ trụ. Tính đặc biệt không phát xạ bức xạ của chúng tạo ra sự khó khăn trong việc 'nhìn thấy' chúng. Điều này trùng khớp với đặc tính của lỗ đen, không phát xạ bức xạ (ngoại trừ vùng sự kiện). Nếu không có quá trình tái tạo vật chất, chúng ta hoàn toàn mù quáng trước lỗ đen. Do đó, có giả thuyết rằng lỗ đen hoặc cụ thể hơn, lỗ đen tiền sử (primordial blackhole - PBH), có thể là một hình thức của vật chất tối.
Theo thuyết Big Bang và thuyết tương đối, điều kiện ở những femtosecond đầu tiên (1/1000 picosecond) của vũ trụ là hoàn hảo cho sự hình thành của lỗ đen. Quá trình mở rộng nhanh (inflation) sau đó đã phân tán chúng khắp nơi trong vũ trụ. Với khả năng thu hút vật chất, PBH có thể đóng góp đáng kể vào việc tạo ra ngôi sao và thiên hà đầu tiên. Và không có gì ngạc nhiên nếu PBH chính là 'lõi' của rất nhiều ngôi sao trong vũ trụ. Điều này cũng là một vị trí lý tưởng để 'ẩn mình' vì ngoại trừ vùng sự kiện, gần như không thể phân biệt sao thông thường và sao Hawking.
Mô hình vũ trụ với lỗ đen tiền sử hiện hình từ đầu
PBH cũng có thể là giải pháp cho sự hiện diện của các SMBH xuất hiện rất sớm trong vũ trụ này. Có những SMBH đã được phát hiện tồn tại hàng tỷ năm trước, với khối lượng lên đến hàng tỷ lần Mặt Trời! Nếu chúng chỉ được tạo ra thông qua quá trình 'hấp thụ' của những ngôi sao khổng lồ và 'thu thập' vật chất xung quanh, thì SMBH không thể xuất hiện sớm đến như vậy! Sự hiện diện của SMBH từ thời kỳ rất sớm cũng là một vấn đề lớn trong lĩnh vực vật lý hiện đại.
Video đầy đủ về sao Hawking
Và để kết thúc, có thể Mặt Trời của chúng ta là một ngôi sao hoàn toàn 'yên bình', nhưng điều này không có nghĩa là tất cả các ngôi sao khác đều giống nhau. Theo lý thuyết và mô hình, ngoại trừ quá trình 'hấp thụ', ngôi sao Hawking không khác gì ngôi sao bình thường khi nhìn từ xa. Việc nắm rõ hơn về bản chất và cấu trúc của các ngôi sao là chìa khóa quan trọng để hiểu sâu hơn về vũ trụ. Ai biết, có một ngày nào đó, khi nhân loại có khả năng du hành đến những vì sao xa xôi, những kiến thức cơ bản này sẽ là nền tảng để chúng ta tồn tại ở những chân trời mới.
Tạp chí Thiên văn học
