Những lỗ đen vũ trụ siêu khủng

Sao tối thời Newton

Câu chuyện về lỗ đen đưa ta trở lại với trăn trở của Pierre-Simon de Laplace (Pháp) và John Michell (Anh) cuối thế kỷ 18. Ngày ấy các nhà khoa học đã biết, sở dĩ ta nhìn thấy một ngôi sao là do có ánh sáng phát ra (hay phản chiếu) từ nó. Theo Newton, ánh sáng gồm các hạt, vậy nó luôn bị lực hấp dẫn của ngôi sao hút trở lại. Lực hút này càng mạnh nếu khối lượng sao càng lớn (định luật vạn vật hấp dẫn). Laplace và Michell trăn trở: liệu có ngôi sao nào đủ nặng để sức hút của nó mạnh đến nỗi ánh sáng không thể thoát ra ngoài và do đó chúng ta không thể nhìn thấy ngôi sao ấy: một ngôi “sao tối”? Mặt khác, khả năng một vật thắng được lực hút hấp dẫn của một ngôi sao để thoát ra ngoài tỷ lệ với vận tốc khởi hành của nó. Để thoát khỏi sức hút của quả đất, phải có vận tốc ít nhất 11,2km/giây. “Sao tối” đủ sức “giam cầm” ánh sáng có vận tốc c ≈ 300.000km/s, vậy một vật muốn thoát khỏi sức hút của “sao tối” phải có vận tốc lớn hơn c! Với những hiểu biết hạn chế trong khuôn khổ của vật lý Newton và khả năng quan sát thiên văn eo hẹp của thế kỷ 18 – 19, nỗi trăn trở của Laplace – Michell dừng lại ở đó.

Hơn một thế kỷ trôi qua, năm 1905, Albert Einstein xuất hiện với những công bố khoa học động trời. Ông tái khẳng định ánh sáng gồm các hạt, gọi là photon (nói “tái” bởi sau Newton, đã có thời người ta phủ nhận bản chất hạt của ánh sáng). Ông công bố thuyết tương đối đặc biệt, khẳng định rằng không có một đối tượng vật chất nào có thể chuyển động với vận tốc lớn hơn c. Điều đó có nghĩa là, nếu thực tồn tại “sao tối”, thì không một đối tượng vật chất nào (kể cả ánh sáng) có thể thắng được lực hút hấp dẫn của nó để thoát ra ngoài!

Lỗ đen không phải là sao

Lỗ đen chỉ thực sự trở thành đối tượng của khoa học vào năm 1917, khi Karl Schwarzschild giải phương trình trường hấp dẫn của Einstein. Trong lời giải này, lỗ đen xuất hiện như một tất yếu. Hãy tưởng tượng một ngôi sao, năng lượng của nó tạo áp lực hướng ra ngoài hòng chống lại lực hấp dẫn luôn ép vào trong. Nhưng, theo hệ thức Einstein, E = mc², thì năng lượng (E) càng lớn đồng nghĩa với khối lượng (m) càng lớn và do đó sức hấp dẫn càng mạnh. Thành thử, càng gắng chống lại hấp dẫn, thì lại càng tăng cường sức lực cho nó, ngôi sao càng bị nén ép mạnh, thể tích của nó càng nhỏ, và mật độ khối lượng càng lớn. Đến một lúc nào đó, khi mật độ khối lượng đủ lớn, lực hấp dẫn đủ mạnh để áp đảo tất cả các lực khác, thì toàn bộ vật chất của ngôi sao bị rút vào trong, lực hấp dẫn càng mạnh hơn, để rồi cuối cùng tất cả co sập về chỉ một điểm, tại đó mật độ khối lượng lớn vô hạn, không gì có thể thoát ra khỏi điểm này, và thế là một lỗ đen ra đời. Thật khó tưởng tượng, toàn bộ vật chất của ngôi sao nặng gấp cả tỉ lần quả đất lại bị thu về một điểm! Cái điểm ấy thật kỳ bí, chưa ai biết điều gì đang diễn tiến ở đó, và người ta gọi nó là điểm kỳ dị (singularity). Thành thử, mặc dù có nguồn gốc là các ngôi sao, bản thân lỗ đen không còn là “sao” nữa, cho dù nó có phần nào gợi nhớ về “sao tối” thời Newton.

Rất may là để trở thành một lỗ đen, ngôi sao ban đầu phải có khối lượng đủ lớn. Đến như mặt trời nặng hơn quả đất cả nửa triệu lần, mà lực hấp dẫn vẫn chỉ có thể sẽ làm nó co lại thành một sao lùn trắng với kích thước cỡ như quả đất. Để đủ sức co sập toàn bộ vật chất của ngôi sao về một điểm, tạo thành lỗ đen, khối lượng của ngôi sao phải lớn hơn ba lần khối lượng mặt trời. Một may mắn nữa là, lực hấp dẫn giảm rất nhanh theo khoảng cách, nhờ vậy dù một lỗ đen có tàn bạo đến mấy, thì lực hút của nó cũng chỉ vượt trội hơn các lực khác trong một vùng không gian nhất định xung quanh điểm kỳ dị của nó. Tuỳ theo khối lượng, với mỗi lỗ đen ta có thể xác định một mặt cầu quanh điểm kỳ dị sao cho bên trong mặt đó (gần điểm kỳ dị) lực hút hấp dẫn mạnh đến nỗi không vật gì, kể cả ánh sáng, xuất phát từ đó có thể thoát ra ngoài. Còn, bên ngoài mặt này thì lực hút của lỗ đen quá yếu để có thể giữ ánh sáng lại và do đó ta vẫn “nhìn” thấy được. Bề mặt như thế có tên là “chân trời sự kiện” (event horizon), còn bán kính của mặt cầu này gọi là bán kính Schwarzschild. Lỗ đen càng nặng, bán kính Schwarzschild càng lớn. Tất cả những gì từ bên ngoài không may rơi vào trong qua “chân trời sự kiện”, thì đều bị hút vào điểm kỳ dị, không có con đường nào khác! Lỗ đen là miền không gian giới hạn bởi “chân trời sự kiện” bao quanh điểm kỳ dị.

Những lỗ đen khủng

Lỗ đen càng nặng, thì sức huỷ diệt của nó càng tàn khốc và vùng ảnh hưởng càng rộng lớn. Từ lâu các nhà khoa học đã giả định sự tồn tại của các lỗ đen siêu nặng (hàng tỉ lần khối lượng mặt trời), là cơ sở để giải thích nhiều hiện tượng thiên văn, trong đó có sự phát sáng chói loà của các quasar. Trong vòng 15 năm trở lại đây, một số lỗ đen khủng như vậy đã được ghi nhận, nhưng khủng nhất là hai lỗ đen do McConnell và cộng sự vừa phát hiện năm ngoái (Nature 8.12.2011). Chúng có địa chỉ ở hai thiên hà êlíp: thiên hà NGC3842 nằm giữa đám thiên hà cách quả đất 98 megaparsecs và thiên hà NGC4889 trong đám Coma cách chúng ta 103 megaparsecs (một megaparsec bằng khoảng 3 triệu năm ánh sáng). Mỗi lỗ đen này nặng gấp 10 tỉ lần mặt trời. Các lỗ đen khủng như vậy chỉ tồn tại ở các thiên hà êlíp nằm tại tâm các đám thiên hà, như con nhện nằm ở trung tâm của mạng nhện. Ở đó lỗ đen được nuôi rất “béo” nhờ hấp thụ khí và “xơi tái” cả các vì sao của các thiên hà lân cận, và trở nên cực nặng. Khó khăn trong nghiên cứu các lỗ đen này ở chỗ các đám thiên hà mà lỗ đen khủng cư trú đều nằm cách xa quả đất ít nhất cũng một trăm megaparsecs, nên việc đo đạc và xác định chính xác khối lượng của lỗ đen là cực khó.

Lỗ đen khủng ảnh hưởng trực tiếp đến sự tồn vong của các ngôi sao trong các thiên hà hàng xóm. Thậm chí, nhiều nhà khoa học còn cho rằng các lỗ đen này đã điều tiết sự vận động và hình thành của chính các thiên hà. Ý kiến tạm thời chưa thống nhất và người ta đang chờ các kết quả đo mới với các kính viễn vọng có đường kính tới 40m, như kính viễn vọng cực lớn của châu Âu.

NGUYỄN TRẦN

 Theo sgtt.vn