Top 10 điều thú vị về hố đen vũ trụ: Chúng là gì và dẫn ta đến đâu?

Đa số các hố đen được hình thành từ tàn tích còn sót lại sau khi một ngôi sao lớn nổ tung trong vụ nổ siêu tân tinh. (Các ngôi sao nhỏ hơn thường trở thành sao neutron đặc, không đủ lớn để tạo thành hố đen.) Nếu tổng khối lượng của sao đủ lớn — khoảng ba lần Mặt trời — thì lý thuyết cho thấy không một lực nào có thể ngăn cản sự sụp đổ của nó do lực hấp dẫn.

Trong quá trình sụp đổ, một hiện tượng lạ xảy ra: khi bề mặt ngôi sao tiệm cận với một ranh giới tưởng tượng gọi là "chân trời sự kiện", thời gian trên sao bắt đầu trôi chậm lại đối với người quan sát bên ngoài. Khi đến chân trời sự kiện, thời gian như ngừng lại và ngôi sao trở thành một vật thể đóng băng giữa quá trình sụp đổ. Một số hố đen lớn hơn nữa có thể được sinh ra từ sự va chạm giữa các ngôi sao. Vào tháng 12 năm 2004, chỉ sau khi được phóng lên không lâu, kính thiên văn Swift của NASA đã bắt được ánh sáng từ những vụ nổ tia gamma – các chớp sáng mạnh mẽ và ngắn ngủi trên bầu trời.

Hố đen có thể mang khối lượng từ cỡ Mặt trăng cho đến gấp mười tỷ lần khối lượng Mặt trời. Kích thước của chúng tỉ lệ với chân trời sự kiện, được xác định bởi bán kính Schwarzschild – nơi mà vận tốc thoát ra cần phải bằng vận tốc ánh sáng. Nếu Trái đất bị nén đến kích thước của một viên bi, nó sẽ trở thành một hố đen. Dù vậy, không có hố đen nào là vô hạn nhỏ; khối lượng tối thiểu được ước tính phải lớn hơn hoặc bằng khối lượng Planck, xấp xỉ 22 microgram.

Tại Viện Công nghệ Technion - Israel, các nhà vật lý học đã chế tạo khoảng 100.000 hố đen kích thước chỉ 0,1 mm, được cấu thành từ 8.000 nguyên tử rubidi trong trạng thái khí. Mục tiêu là kiểm tra xem các cặp photon có thể hình thành tại rìa chân trời sự kiện hay không. Điều đặc biệt là không gian trong thí nghiệm hoàn toàn trống rỗng – các photon được cho là xuất hiện từ hư không. Một photon có thể bị hút vào hố đen, trong khi photon còn lại thoát ra, tạo nên bức xạ đứng yên.

Các ngôi sao sáng nhất, có khối lượng lớn nhất lại có vòng đời ngắn ngủi, vì chúng tiêu thụ nhiên liệu nhanh hơn nhiều so với những ngôi sao nhỏ hơn. Khi đạt đến giới hạn không thể tiếp tục tổng hợp hạt nhân, chúng đi đến cái kết của mình và trở thành những tàn dư sao. Khi một ngôi sao sụp đổ vào một không gian cực nhỏ, toàn bộ khối lượng của nó vẫn được bảo toàn. Để duy trì định luật bảo toàn mômen động lượng, hố đen sẽ quay nhanh hơn khi khối lượng tập trung lại.

Khi hố đen quay, nó khiến cả không-thời gian xung quanh cũng bị kéo xoáy theo – khu vực này gọi là ergosphere. Đây là vùng nằm ngoài chân trời sự kiện, nơi xảy ra nhiều hiện tượng kỳ thú. Chân trời sự kiện càng nhỏ, tốc độ quay càng cao. Tuy nhiên, có một giới hạn về tốc độ quay – nếu vượt quá, điểm kỳ dị sẽ bị lộ ra ngoài vũ trụ. Hố đen sao nặng nhất trong Dải Ngân hà (GRS 1915 + 105) quay tới 1.150 vòng mỗi giây. Trong khi đó, hố đen tại thiên hà NGC 1365 đạt đến 84% tốc độ ánh sáng, gần chạm ngưỡng cực đại của vũ trụ – và không thể quay nhanh hơn nữa.

Vào năm 2003, các nhà thiên văn học đã sử dụng Đài quan sát tia X Chandra của NASA để phát hiện ra sóng âm thanh phát ra từ một hố đen siêu lớn, cách Trái đất khoảng 250 triệu năm ánh sáng. Âm thanh này được ghi nhận là “nốt trầm” nhất từng được tìm thấy trong vũ trụ. Hố đen này tọa lạc tại trung tâm cụm thiên hà Perseus, và các sóng âm mà nó phát ra đã được điều chỉnh lên tới 57 và 58 quãng tám để tai người có thể nghe được.

Khi hố đen hấp thụ vật chất, các hạt bị gia tốc gần đến tốc độ ánh sáng tại chân trời sự kiện, từ đó sinh ra âm thanh. Các kính thiên văn không gian đã ghi lại các sóng âm lan truyền hàng triệu năm ánh sáng từ nguồn gốc của chúng. Dù không gian vũ trụ không hoàn toàn chân không, nó vẫn chứa một lượng nhỏ nguyên tử hydro và khí khác trong mỗi mét khối – chính môi trường này giúp sóng âm tần số cực thấp lan truyền, cho phép chúng ta 'nghe thấy' tiếng vọng từ các hố đen.

Nhờ lực hấp dẫn vô cùng mạnh mẽ, một hố đen có khả năng làm biến dạng không-thời gian xung quanh nó. Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, khi càng đến gần hố đen, thời gian càng trôi chậm lại. Đường chân trời sự kiện là ranh giới không thể vượt qua của hố đen – tại đây, mọi vật chất và ánh sáng đều bị hút vào mà không thể thoát ra. Trên ranh giới này, lực hấp dẫn giữ một cường độ không đổi.

Khi hố đen quay, nó tạo ra hiện tượng kỳ dị được gọi là “kéo khung tham chiếu”. Hiện tượng này khiến không gian và thời gian gần hố đen bị cuốn theo chiều quay của nó, đến mức không thể nào chuyển động ngược lại. Điều đó tạo ra một vùng méo mó vĩnh viễn, nơi mà các quy luật vật lý cổ điển không còn áp dụng. Bên trong chân trời sự kiện, ta bước vào một vùng tối bí ẩn với mật độ vô tận và các điều kiện mà khoa học hiện tại chưa thể hình dung nổi.

Khi bạn rơi vào một hố đen, cơ thể bạn sẽ bị kéo giãn thành một sợi dài mỏng như mì spaghetti. Nếu đó là một hố đen nhỏ, lực hấp dẫn thủy triều sẽ cực kỳ mạnh mẽ, tạo nên sự khác biệt lớn giữa trọng lực ở đầu và chân bạn. Lực tác động lên phần đầu (nếu bạn rơi đầu trước) sẽ lớn hơn rất nhiều so với phần chân.

Sự chênh lệch này giống như một bàn tay vô hình đang kéo căng bạn từ đầu đến chân. Đầu bạn càng gần hố đen, nó càng bị kéo đi nhanh hơn, trong khi nửa dưới cơ thể vẫn còn chậm hơn vì ở xa trung tâm hơn. Khi lực thủy triều mạnh hơn sức liên kết phân tử của cơ thể, bạn sẽ bị xé rách thành từng mảnh nhỏ, liên tục vỡ ra như kem đánh răng bị đẩy qua một ống nhỏ.

Nhiều người thường tưởng tượng hố đen như một chiếc máy hút bụi vũ trụ, kéo mọi thứ xung quanh vào trong. Thực tế, các hố đen chỉ giống như những thiên thể bình thường nhưng có lực hấp dẫn cực mạnh ở gần chúng. Lực hấp dẫn này khiến vật chất quanh hố đen tăng tốc mạnh mẽ. Hố đen phát triển bằng cách nuốt chửng vật chất tiếp cận gần. Bất cứ vật gì đi vào chân trời sự kiện đều không thể thoát ra. Vì vậy, nếu không giữ khoảng cách an toàn, vật thể sẽ bị hố đen nuốt chửng.

Ngay cả khi thay thế Mặt trời bằng một hố đen có cùng khối lượng, Trái đất sẽ không bị hút vào. Lực hấp dẫn của hố đen tương đương với Mặt trời, vì vậy các hành tinh vẫn sẽ quay như bình thường. Mặt trời hiện tại cũng không đủ lớn để trở thành hố đen. Dù nổi tiếng như vậy, hố đen không thực sự hút vật thể ở khoảng cách xa.

Hố đen chỉ có thể thu hút những vật thể đến cực gần nó. Nếu bóng tối vĩnh viễn của hố đen rơi xuống Trái đất, các hành tinh vẫn sẽ tiếp tục quay quanh nó với quỹ đạo và tốc độ như hiện nay. Trái đất chỉ thật sự nguy hiểm khi ở cách hố đen trong vòng khoảng 10 dặm – nhỏ hơn rất nhiều so với khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời là 93 triệu dặm.

Dù các vật thể có lực hấp dẫn mạnh đến mức ánh sáng không thể thoát ra đã được nhắc đến từ thế kỷ 18, nhưng Karl Schwarzschild là người đầu tiên vào năm 1916 đưa ra lời giải hiện đại cho thuyết tương đối rộng, mô tả chính xác một hố đen. Phát hiện Cygnus X-1 năm 1964 đã hoàn thiện bức tranh của Einstein, mở rộng tầm hiểu biết về vũ trụ. Schwarzschild, giám đốc Đài quan sát vật lý thiên văn Potsdam và là nhà toán học kiệt xuất, dù đang ở tuổi 40 và tham gia chiến tranh vẫn cống hiến nhiều cho thiên văn học.

Năm 1958, David Finkelstein định nghĩa hố đen như một vùng không gian mà không gì có thể thoát ra được. Tiếp theo, nhà vật lý lý thuyết Mỹ John Wheeler đã đặt tên “lỗ đen” cho những vật thể có sự sụp đổ hấp dẫn, thuật ngữ này được ông dùng lần đầu trong bài thuyết trình tại Viện Nghiên cứu Không gian Goddard của NASA vào năm 1967.

Do ánh sáng không thể thoát khỏi sức hút khổng lồ của hố đen, nên ta không thể nhìn thấy chúng một cách trực tiếp. Tuy nhiên, ta có thể quan sát tác động của lực hấp dẫn lên các thiên thể và khí xung quanh. Nhờ đó, sự tồn tại của hố đen được xác định qua ảnh hưởng của chúng trên môi trường xung quanh.

Nhà thiên văn học theo dõi chuyển động của các ngôi sao để phát hiện chúng quay quanh hoặc bay quanh một hố đen. Khi gần nhau, các bức xạ phát sinh sẽ được kính viễn vọng và vệ tinh không gian ghi lại. Năm 2019, các nhà khoa học đã ghi lại hình ảnh đầu tiên của một hố đen cách chúng ta 500 triệu nghìn tỷ km, bằng mạng lưới 8 kính viễn vọng toàn cầu. Hố đen siêu lớn này rộng 40 tỷ km với khối lượng gấp 6,5 tỷ lần Mặt trời.

Hố đen gồm ba phần: điểm kỳ dị, chân trời sự kiện bên ngoài và bên trong. Tâm của hố đen gọi là điểm kỳ dị, nơi toàn bộ khối lượng bị nén gần như bằng không, tạo nên mật độ vô hạn và lực hấp dẫn cực lớn. Chân trời sự kiện bên ngoài là lớp rìa mà vật chất vẫn có thể thoát ra khỏi lực hút của hố đen, với lực hấp dẫn yếu hơn lớp bên trong.

Có bốn loại hố đen (ba loại thực và một giả thuyết):

• Hố đen sao: kích thước nhỏ, khối lượng từ 5 đến vài chục lần Mặt trời, sinh ra từ sự sụp đổ hấp dẫn của các ngôi sao lớn.
• Hố đen siêu lớn: cực kỳ khổng lồ, từ hàng trăm nghìn đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt trời, nguồn gốc vẫn còn là điều bí ẩn.
• Hố đen trung gian: khối lượng lớn hơn hố đen sao nhưng nhỏ hơn hố đen siêu lớn, được phát hiện nhờ các hạt nhân thiên hà hoạt động có độ sáng thấp.
• Hố đen nguyên thủy: giả thuyết về những hố đen hình thành ngay sau Vụ nổ lớn, có thể có khối lượng rất nhỏ, nghiên cứu bởi Stephen Hawking cho thấy chúng có thể nặng chỉ khoảng 100 microgam.