Buzz
Lỗ đen: những gì chúng ta nghĩ là hiểu biết, thực tế không phải vậy
Mất Albert Einstein 10 năm để tìm ra phương trình của tương đối chung, nhưng nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild chỉ cần vài tháng để giải quyết chúng. Giải pháp của Schwarzschild mô tả trọng lực của một vật thể cô lập, hình cầu và không thay đổi — chiếc lỗ đen bí ẩn — nhưng nó không được hiểu đúng trong nhiều năm.
Lỗ đen đã giúp giải thích các phát hiện thiên văn mới, trở thành thành phần thiết yếu của vật lý thiên văn. Khoa học xem lỗ đen như là trừ tượng cho đến những năm 1960. Phát hiện thí nghiệm gần đây về sóng hấp dẫn đã thay đổi hiểu biết của chúng ta về lỗ đen.
Năm 2016, sự hợp tác LIGO-Virgo phát hiện các sóng hấp dẫn được tạo ra bởi hai lỗ đen hợp nhất, mở ra một kỷ nguyên thiên văn mới được tôn vinh bằng Giải Nobel Vật lý năm 2017.
Năm 2019, Kính viễn cảnh Sự kiện công bố hình ảnh của lỗ đen siêu khổng lồ trong thiên hà gần M87. Năm sau đó, Giải Nobel Vật lý đã công nhận những nghiên cứu lỗ đen lý thuyết của Roger Penrose và những nghiên cứu quan sát của Andrea Ghez và Reinhard Genzel.
Lỗ đen là gì?
Khái niệm về lỗ đen phản ánh trong khoa học dân dụ dựa vào ý tưởng về hố sự kiện — đây là khi vận tốc cần thiết để thoát khỏi lực hút chân của lỗ đen vượt quá tốc độ của ánh sáng. Bất cứ thứ gì rơi vào hố sự kiện sẽ bị mất mãi mãi.
Bán kính Schwarzschild là bán kính của hố sự kiện, tỉ lệ thuận với khối lượng của lỗ đen. Nhưng định nghĩa của Schwarzschild có một cái bẫy: nó yêu cầu chúng ta biết rằng không có gì sẽ xuất hiện từ lỗ đen. Điều này có nghĩa là lỗ đen phải được giám sát mãi mãi để biết rằng không có gì xuất hiện. Trong thực tế, điều này là không thể.
Một giải pháp toán học khác cho phương trình của Einstein mô tả sự hình thành của một lỗ đen thông qua sự sụp đổ của một lớp vỏ hình cầu của ánh sáng. Một hố sự kiện hình thành ở trung tâm, mở rộng ra ngoài, gặp lớp vỏ ánh sáng rơi vào ở bán kính Schwarzschild nơi nó dừng lại — et voilà! — một lỗ đen được hình thành.
Lỗ đen mới
Lỗ đen hoàn toàn cô lập hoặc không thay đổi không tồn tại. Lỗ đen thực tế được bao quanh bởi đĩa quay xung quanh chúng, gió sao và vật chất tối, tất cả tạo ra vật chất rơi vào tăng khối lượng của chúng.
Lỗ đen thường tồn tại thành cặp, xoay vòng gần nhau hơn và gần nhau hơn cho đến khi chúng hợp nhất thành một lỗ đen lớn hơn, đường biên thay đổi theo thời gian, đặc biệt là sau sự hợp nhất.
Two black holes surrounded by yellow and orange flames spiraling into each other. Image via NASASóng hấp dẫn LIGO/Virgo năm 2016 bắt nguồn từ sự hợp nhất ngoạn mục của hai lỗ đen. Đến khi những sóng này đến Trái Đất, chúng yếu hơn âm thanh xung quanh và chỉ có thể được xác định bằng cách so khớp các mẫu lý thuyết của tín hiệu dự kiến với dữ liệu.
Bộ mẫu lớn được tạo ra trong các mô phỏng máy tính mà rõ ràng không thể chạy mãi mãi, như là cần thiết nếu lỗ đen được đặc trưng bởi biên sự kiện vĩnh cửu. Thay vào đó, các mô phỏng sử dụng biên hiện rõ, đặc trưng bởi tính chất rằng không có gì có thể thoát ra khỏi nó ngay bây giờ.
Biên hiện rõ đã đóng một vai trò quan trọng trong thiên văn sóng hấp dẫn mới sinh, nhưng là điều ít người biết đến.
Lỗ đen thay đổi vì chúng sống trong một vũ trụ mở rộng. Nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking đã dự đoán rằng tất cả các lỗ đen phát ra năng lượng do cơ học lượng tử, làm cho chúng co lại. Mặc dù không đáng kể với mục đích thực tế, nhưng nguyên tắc này là không thể tránh khỏi.
Những hiểu biết mới
Hiểu biết của chúng ta về lỗ đen dựa trên định nghĩa toán học của biên. Biên hiện rõ được định nghĩa bởi hành vi của tia sáng ở xung quanh nó: tia không thể thoát ra (và vì không có gì di chuyển nhanh hơn ánh sáng, không có gì thoát ra) tại thời điểm hiện tại.
Nhưng cách tia sáng hoạt động phụ thuộc vào người quan sát mô tả chúng bằng mô phỏng toán học. Vì vậy, trong thuyết tương đối, thời gian và không gian phụ thuộc vào người quan sát, nơi tia dừng lại và thời điểm hiện tại là khác nhau đối với các người quan sát khác nhau. Vì vậy, biên hiện rõ chính nó cũng phụ thuộc vào người quan sát.
Tính tồn tại của lỗ đen đã phụ thuộc vào người quan sát, trong khi biên sự kiện cũ là phổ cập.
Toán học diễn đạt về khái niệm mới về lỗ đen cho chúng ta biết rằng, ngay cả trong trường hợp của Schwarzschild, có những người quan sát theo đó không có biên hiện rõ và do đó, không có lỗ đen! Thật tuy nhiên, những người quan sát toán học này là rất nhân tạo. Tất cả các quan sát tự nhiên (những quan sát xảy ra thông qua việc quan sát hành vi thực tế của một lỗ đen) nhìn nhận hình học Schwarzschild như hình cầu, đồng thuận về sự tồn tại và vị trí của biên hiện rõ.
Bài viết này của Valerio Faraoni, Giáo sư, Vật lý & Thiên văn, Đại học Bishop, được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.
