Sự khác biệt giữa ba lỗ cực trong vũ trụ: lỗ đen đã được phát hiện, nhưng lỗ trắng và lỗ sâu ở đâu?

Cho đến nay, đã có rất nhiều bằng chứng cho thấy rằng lỗ đen thực sự tồn tại, thậm chí là cả hình ảnh thực tế, tuy nhiên lỗ trắng, lỗ giun vẫn chỉ tồn tại trên lý thuyết.

Lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu đều là những hiện tượng đặc biệt trong vũ trụ. Điểm chung của chúng là đều là kết quả cực trị do lực hấp dẫn gây ra và tuân theo phương trình trường hấp dẫn của Einstein (gọi tắt là phương trình trường). Công thức được hiển thị trong hình sau:

Quá trình dẫn xuất của công thức này rất phức tạp và sẽ không được thảo luận ở đây. Mặc dù ba 'lỗ' này là do trường hấp dẫn gây ra, nhưng tính chất của chúng hoàn toàn khác nhau. Chúng là gì và chúng đang cất giấu ở đâu sẽ được biết sau khi chúng ta lần lượt tìm hiểu những 'lỗ' này.

Hố đen

Nói một cách đơn giản, lỗ đen là một hiện tượng kỳ lạ được tạo ra bởi sự nén của vật chất đến giới hạn của nó. Về lý thuyết, bất kỳ vật chất nào cũng có thể bị nén đến giới hạn, từ nguyên tử đến hành tinh, miễn là áp suất đủ lớn, thì nó có thể trở thành lỗ đen. Áp lực này lớn đến mức nào? Không có giá trị cụ thể, nhưng có một công thức cho giới hạn mà một chất, vật thể có thể bị nén.

Công thức này là công thức bán kính Schwarzschild, được biểu thị bằng: R = 2GM/C^2. Ở đây R là bán kính Schwarzschild tính theo mét, G là hằng số hấp dẫn, M là khối lượng của vật thể tính theo kg và C là tốc độ ánh sáng. Công thức này được đưa ra vào năm 1916 bởi nhà vật lý thiên văn Karl Schwarzschild, dựa trên các phương trình trường hấp dẫn trong thuyết tương đối rộng của Einstein.

Ý nghĩa của công thức này là: miễn là bất kỳ vật chất nào bị nén đến bán kính Schwarzschild bằng khối lượng của chính nó, nó sẽ trải qua một sự thay đổi kỳ lạ, tất cả vật chất chắc chắn sẽ rơi xuống điểm kỳ dị của lõi, và hình thành giới hạn không gian hình cầu bởi bán kính Schwarzschild, không gian này có độ cong vô hạn, bất cứ vật chất nào tiến vào không gian này đều không thể thoát ra ngoài, mà chỉ có thể rơi xuống điểm kỳ dị ở trung tâm, ngay cả ánh sáng cũng không phải ngoại lệ.

Bán kính Schwarzschild này lớn bao nhiêu? Theo công thức, khối lượng của một nguyên tử hydro là khoảng 1,674*10^-27 kg và bán kính Schwarzschild của nó là khoảng 2,48*10^-54m; khối lượng của Mặt Trời vào khoảng 2*10^30 kg, ta sẽ có bán kính Schwarzschild của Mặt Trời là khoảng 2.964 m; khối lượng của Trái Đất là khoảng 6*10^24 kg, giá trị bán kính Schwarzschild là khoảng 8,9mm, đồng nghĩa với việc nếu nén (thu nhỏ) toàn bộ Trái Đất lại thành một viên bi có bán kính 8,9mm, nó sẽ biến thành một hố đen.

Các nhà khoa học tin rằng Máy va chạm Hadron Lớn có thể tạo ra các lỗ đen cực nhỏ ở quy mô nguyên tử. Tuy nhiên ý tưởng này chỉ là lý thuyết, và những lỗ đen nhỏ như vậy vẫn chưa được ghi nhận thực tế. Theo giấy tờ, nhiều lỗ đen có kích thước siêu nhỏ đã bị bỏ lại trong vụ nổ Big Bang, và theo lý thuyết bức xạ Hawking, các lỗ đen cỡ nguyên tử sẽ bốc hơi ngay lập tức, vì vậy cho đến nay chưa có lỗ đen siêu nhỏ nào được tìm thấy.

Trong vũ trụ, lỗ đen nhỏ nhất được ghi nhận có khối lượng gấp 3 lần Mặt Trời của chúng ta. Các lỗ đen này được hình thành là do mất kiểm soát nhiệt hạch bên trong các ngôi sao lớn khi chúng chết đi, gây ra một vụ nổ siêu tân tinh. Áp suất cực lớn nén vật liệu lõi vào bán kính Schwarzschild bằng khối lượng của chính nó, do đó trở thành một lỗ đen.

Người ta thường tin rằng một ngôi sao có khối lượng lớn hơn khối lượng mặt trời từ 30 đến 40 lần sẽ trực tiếp biến thành lỗ đen khi nó chết. Ngoài ra các lỗ đen vũ trụ cũng được hình thành do va chạm và bồi tụ của các thiên thể khổng lồ, chúng sụp đổ và hình thành lỗ đen khi chúng vượt quá điểm khối lượng giới hạn. Ví dụ, thông qua quá trình bồi tụ, một ngôi sao neutron có khối lượng vượt quá giới hạn Oppenheimer sẽ bị nén thành một lỗ đen.

Về lý thuyết, khối lượng của lỗ đen nằm trên điểm kỳ dị của lõi và điểm kỳ dị đó nhỏ vô cùng, nên lỗ đen được hiểu là có thể tích nhỏ vô hạn, mật độ vô hạn, vô hạn về độ cong và vô hạn về nhiệt. Tiền đề của bốn vô cực này là thể tích nhỏ vô cùng, dẫn đến sự xuất hiện của ba vô cực sau này.

Độ cong của lỗ đen là vô hạn, dùng để chỉ bán kính Schwarzschild, và điểm tới hạn của nó còn được gọi là chân trời sự kiện lỗ đen. Ở đây, độ cong là sự biến dạng của không-thời gian xung quanh gây ra bởi khối lượng, được biểu hiện dưới dạng lực hấp dẫn. Ở những nơi xa, lực hấp dẫn của nó vẫn tuân theo định luật vạn vật hấp dẫn, tỷ lệ thuận với khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, giống như lực hấp dẫn của bất kỳ thiên thể nào.

Vì lực hấp dẫn trong bán kính Schwarzschild của lỗ đen là vô hạn, do đó bất kỳ vật chất nào ở gần lỗ đen sẽ bị 'ăn', và sẽ không có đường quay trở lại, vì vậy lỗ đen sẽ ngày càng lớn hơn. Hố đen lớn nhất được tìm thấy trong vũ trụ được đặt tên là SDSS J073739.96 + 384413.2, có khối lượng gấp 104 tỷ lần Mặt Trời.

Quá trình sao neutron trở thành lỗ đen

Sao neutron là những thiên thể được tìm thấy trong vũ trụ với mật độ chỉ đứng sau lỗ đen. Chúng là những ngôi sao có khối lượng trung bình và lớn - những ngôi sao có khối lượng gấp khoảng 8 đến 30 lần khối lượng của Mặt Trời. Sau một vụ nổ siêu tân tinh, phần còn lại của ngôi sao chỉ là lõi có độ đặc vật chất lớn.

Bán kính của lõi này chỉ khoảng 10km, mật độ cao tới 1-2 tỷ tấn/cm khối và áp suất bề mặt đạt 10^28 atm, tức là lớn hơn 33 nghìn tỷ lần áp suất trên bề mặt Trái Đất.

Do lực hấp dẫn của sao neutron rất lớn, chúng sẽ liên tục bồi tụ các thiên thể gần đó hoặc vật chất giữa các vì sao cho chính mình, làm tăng khối lượng của chúng.

Có thể nói lỗ đen là giai đoạn tiến hóa cuối cùng của một ngôi sao (hoặc bất kỳ thiên thể nào), tức là khi bất kỳ thiên thể nào khi đạt đến đỉnh của vòng đời, nó sẽ trở thành lỗ đen.

Lỗ trắng

Lỗ trắng là một phỏng đoán lý thuyết hoàn toàn ngược lại với lỗ đen, nó chỉ là một mô hình toán học do các nhà vật lý giả định dựa trên các phương trình trường của Einstein. Cho đến nay, khoa học vẫn chưa có chứng cứ chứng minh sự tồn tại của lỗ trắng. Định nghĩa cơ bản của mô hình này là các lỗ đen sẽ liên tục nuốt chửng vật chất vũ trụ, trong khi các lỗ trắng thì hoàn toàn ngược lại, liên tục phóng vật chất vào vũ trụ.

Về lý thuyết, lỗ đen và lỗ trắng là những thiên thể cực hạn trong vũ trụ. Lực hấp dẫn của lỗ đen là vô hạn và lực đẩy của lỗ trắng là vô hạn. Cả hai đều có ranh giới khép kín.

Vì lỗ trắng chỉ là một thiên thể giả định tồn tại trên lý thuyết nên có nhiều cách giải thích khác nhau về nguyên nhân hình thành của lỗ trắng. Và quan điểm phổ biến nhất cho rằng Vụ nổ lớn của 13,8 tỷ năm trước có thể được coi là một sự kiện do một lỗ trắng siêu lớn gây ra.

Ngoài ra, có một số quan điểm: một, lỗ trắng là sự 'nghịch hành' của lỗ đen, tức là khi lỗ đen đến cực hạn và sụp đổ thì nó sẽ trải qua một sự thay đổi về chất, chuyển đổi năng lượng bồi tụ bên trong thành năng lượng đẩy ra từ lõi; thứ hai, giống như sự tồn tại của vật chất âm và dương trong vũ trụ, lỗ trắng và lỗ đen là các lỗ âm và dương trong vũ trụ, một lỗ giải phóng năng lượng và một hấp thụ năng lượng, có tính chất đối nghịch nhau.

Cũng có quan điểm cho rằng vật chất bị lỗ đen hấp thụ sẽ bị đẩy ra từ lỗ trắng ở đầu kia, và đường ống nối giữa lỗ đen và lỗ trắng là một lỗ sâu. Lỗ đen và lỗ trắng có thể ở trong cùng không-thời gian, nhưng hai vùng cách xa nhau có thể ở hai không-thời gian với các tính chất khác nhau.

Tuy nhiên, cho đến nay, đây vẫn chỉ là những giả thuyết, vì người ta vẫn chưa quan sát thấy sự tồn tại thực sự của hố sâu. Vậy hố sâu có tồn tại không? Khó nói. Niềm vui lớn nhất trong khám phá khoa học là những tiên đoán dựa trên lý thuyết cuối cùng đã được xác nhận là đúng. Đây là cách các lỗ đen và thấu kính hấp dẫn được phát hiện, liệu các lỗ trắng sẽ được khám phá hay cuối cùng bị phủ nhận? Ở thời điểm hiện tại chúng ta vẫn chưa rõ câu trả lời.

Lỗ giun

Hố sâu cũng là một dự đoán dựa trên lý thuyết trường của Einstein. Khái niệm 'hố sâu' được nhà vật lý người Áo Ludwig Frahm đề xuất lần đầu tiên vào năm 1916. Sau đó, hai nhà vật lý Einstein và Nathan Rosen đã hoàn thiện lý thuyết này, vì vậy người ta có tên gọi hố sâu là 'cầu Einstein-Rosen' hay còn gọi là đường hầm không-thời gian, có nghĩa là một đường hầm không gian đa chiều nối hai không-thời gian xa xôi.

Mối liên hệ không-thời gian này có khả năng kết nối với 'baby universes', thời kỳ mà các thiên hà và ngôi sao chỉ mới được sinh ra ngay sau khi vũ trụ ra đời, cách chúng ta 13,8 tỷ năm ánh sáng hoặc hơn.

Theo cách hiểu của nhiều người, lỗ giun giống như một đường hầm để đường cao tốc hoặc xe lửa đi qua một ngọn núi. Nếu không có đường hầm này, để đến phía bên kia của ngọn núi, bạn sẽ cần phải leo qua đỉnh núi hoặc phải đi vòng qua rất nhiều đường. Vì vậy, lỗ giun được coi là 'lối tắt' cho sự tồn tại của không gian vũ trụ. 

Với lối tắt này, có thể thực hiện ngay lập tức sự chuyển giao thời gian và không gian xa xôi, chẳng hạn như đến 'baby universes' một cách nhanh chóng và thời gian cần thiết để đạt được điểm đến tương đối ngắn, nhanh hơn nhiều lần so với tốc độ ánh sáng.

Nhưng lỗ giun, giống như lỗ trắng, chỉ tồn tại trong khoa học giả tưởng và phỏng đoán lý thuyết, chưa có sự tồn tại thực sự nào được xác nhận.

Có nhiều giả thuyết về nguyên nhân hình thành của các lỗ giun. Ví dụ, như đã đề cập trước đó, có một đường ống vận chuyển vật chất giữa lỗ đen và lỗ trắng, đó là lỗ sâu; hay sự va chạm giữa lỗ trắng và lỗ đen, sẽ tạo thành lỗ sâu, v.v.

Nói một cách tổng quát, hố giun là một xoáy không-thời gian được hình thành dưới tác dụng của một trọng trường khổng lồ. Sự quay của một khối lượng khổng lồ các thiên thể và quá trình tương tác sẽ làm biến dạng không-thời gian, tạo thành một xoáy không-thời gian. Đây hơi giống một cơn lốc xoáy khổng lồ trên biển, có mặt ở khắp nơi nhưng chỉ thoáng qua. Một số xoáy có thể làm cho hai phần ở xa nhau tiến tới rất gần nhau trong chốc lát. Loại xoáy không-thời gian này được gọi là 'lỗ sâu' trong vũ trụ.

Do bản chất không chắc chắn của các lỗ giun, ngay cả khi chúng được tìm thấy tồn tại, câu hỏi liệu chúng có thể được khai thác hay không vẫn gây tranh cãi. Một số người tin rằng chỉ có năng âm hoặc vật chất tối mới có thể giữ cho lỗ giun ổn định. Tuy nhiên, năng lượng âm và vật chất tối hiện tại vẫn chỉ là giả thuyết lý thuyết. Vì vậy, sự tồn tại của lỗ giun vẫn chưa thể được xác thực.

Tóm lại

Từ phần giới thiệu trên, chúng ta có thể thấy rằng lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu đều là 'lỗ', nhưng chúng không phải là lỗ thông thường, thay vào đó chúng là những thiên thể đặc biệt. Về cơ bản mà nói, ba 'lỗ' này đều là hiện tượng hoặc tồn tại do trường hấp dẫn gây ra, nhưng chúng có tính chất hoàn toàn khác nhau, ảnh hưởng và tác động của chúng đến tương lai của nhân loại cũng khác nhau.

Hiện nay, các nhà khoa học đã chụp được những bức ảnh lỗ đen đầu tiên với rất nhiều nỗ lực và tốn kém, đồng thời khẳng định được sự tồn tại thực sự của lỗ đen. Tuy nhiên, lỗ trắng và lỗ sâu mới chỉ tồn tại trong giai đoạn lý thuyết, liệu chúng có thể được phát hiện trong tương lai và liệu chúng có thể được con người sử dụng hay không vẫn còn chưa chắc chắn.

Tuy nhiên cần biết rằng hố đen xưa kia cũng chỉ thuần là lý thuyết không mấy tin cậy, cho đến khi khoa học phát triển hơn những năm gần đây.