Tìm hiểu chút về hố đen vũ trụ

Hố đen, hay còn gọi là Lỗ đen vũ trụ, là một lực lượng vật chất có khối lượng và thể tích cực kì lớn, lớn đến nỗi lực hấp dẫn của nó làm cho mọi vật thể (thậm chí cả ánh sáng) không thể nào thoát ra được sau khi đã bị "hút" vào, vì vậy người ta không thể quan sát được bất cứ vật thể nào sau khi nó bị lọt vào lỗ hổng này, nên nó có tên là "Hố đen". Truờng hấp dẫn mà hố đen tạo ra rất lớn, vì vậy, một vật muốn thoát ra khỏi hố đen phải có vận tốc thoát lớn hơn vận tốc ánh sáng trong chân không. Điều này là không thể vì theo lý thuyết tương đối vận tốc ánh sáng trong chân không là vận tốc giới hạn lớn nhất có thể đạt được của vật chất, do đó không có vật nào, kể cả các lượng tử ánh sáng (photon), có thể thoát ra khỏi hố đen. Tuy nhiên, ta vẫn có thể nhận biết được sự tồn tại của hố đen qua việc quan sát chuyển động của các vật thể trong vùng ảnh hưởng của nó.


Sự hình thành
Giả thuyết đầu tiên về Lỗ đen vũ trụ được nêu ra bởi nhà khoa học người Anh John Michell và Pierre LaPlace người Pháp vào những năm 1790 dựa trên Thuyết tương đối rộng của Newton. Hai nhà khoa học đã có những nghiên cứu độc lập và đi đến lập luận có sự tồn tại của "ngôi sao vô hình-invisible star."
Lý thuyết tương đối rộng (cũng như các lý thuyết hấp dẫn khác) không chỉ nói rằng các Hố đen có thể tồn tại mà còn tiên đoán rằng chúng sẽ được hình thành trong tự nhiên khi có đủ khối lượng trong một vùng không gian nào đó và trải qua một quá trình gọi là suy sập hấp dẫn. Vì khi khối lượng bên trong vùng đó tăng lên, lực hấp dẫn của nó cũng mạnh lên.
Các phân tích định lượng về điều này dẫn đến việc tiên đoán một ngôi sao có khối lượng khoảng ba lần khối lượng Mặt Trời, tại thời điểm cuối cùng trong quá trình tiến hóa hầu như chắc chắn sẽ co lại tới một kích thước tới hạn cần thiết để xảy ra suy sập hấp dẫn (thông thường các ngôi sao co lại chỉ dừng ở trạng thái sao neutron). Khi điều này xảy ra, không có bất kỳ lực vật lý nào có thể ngăn cản sự suy sập đó, và một hố đen được tạo thành.
Sự suy sập của các ngôi sao sẽ tạo nên các hố đen có khối lượng ít nhất gấp ba lần khối lượng Mặt Trời. Các hố đen siêu lớn có thể có khối lượng gấp hàng triệu, hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời có thể được hình thành khi có một số lớn các ngôi sao bị nén chặt trong một vùng không gian tương đối nhỏ, hoặc khi có một số lượng lớn các ngôi sao rơi vào một hố đen ban đầu, hoặc khi có sự hợp nhất của các hố đen nhỏ hơn. Người ta tin rằng điều kiện để các hiện tượng trên có thể xảy ra ở một số (nếu không muốn nói là hầu hết) tâm của các thiên hà, bao gồm cả Thiên Hà của chúng ta. Tuy nhiên chỉ với những ngôi sao cực kì lớn mới có thể biến thành các Lỗ đen. Mặt trời của chúng ta không đủ độ lớn để làm việc đó, trong khoảng 4 tỷ năm nữa Mặt trời sẽ hết năng lượng và trở thành một ngôi sao tắt. Trong Thiên văn học gọi những ngôi sao dạng này là Sao lùn trắng (White Dwarf star).

Độ lớn của Hố đen bằng bán kính Schwarzschild và khác nhau đối với các hố đen khác nhau. Người ta còn gọi độ lớn này là Chân trời sự kiện (event horizon). Bán kính Schwarzschild là bán kính đặc trưng cho mỗi khối lượng vật chất có chứa năng lượng xác định. Nếu khối lượng vật chất đó được nén trong vòng bán kính Schwarzschild, không một loại năng lượng nào có thể giúp nó thoát khỏi việc bị kéo vào điểm Kỳ dị (singularity) ở tâm của đường tròn.
Người ta tính toán được rằng nếu Hố đen có khối lượng nặng bằng khối lượng của Trái đất 6x(10 mũ 24)kg thì Hố đen chỉ có kích cỡ là 8,9 mm. Hố đen càng nặng (chứa nhiều khối vật chất bên trong) thì không gian của nó càng lớn.







Quan sát hố đen
Hiệu ứng đáng nghi ngờ nhất là vật chất rơi vào hố đen (giống như nước đổ vào đường thoát nước) sẽ tập hợp lại với nhau tạo nên một đĩa gia tốc quay rất nhanh và rất nóng xung quanh hố đen trước khi bị nó nuốt. Ma sát xuất hiện tại những vùng lân cận đĩa làm cho đĩa trở nên vô vùng nóng và được thoát ra dưới dạng tia X. Quá trình nung nóng này cũng vô cùng hiệu quả và có thể biến 50% khối lượng của vật thể thành năng lượng bức xạ. Nói một cách dễ hiểu, vật thể ban đầu chuyển động vòng quanh miệng hố đen, sau đó bị nó hút vào tâm, và cuối cùng bị kéo dài thành 'mì sợi' và bị xé nát.
Chúng ta đã tìm thấy hố đen chưa?

Ngày nay, có khá nhiều những bằng chứng thiên văn gián tiếp về hai loại hố đen (Stellar và Supermassive), và thêm các giả thiết về loại hố đen thứ 3 (Miniature):

* Các hố đen khối lượng ngôi sao có khối lượng cỡ bằng các ngôi sao bình thường (4 - 15 lần khối lượng Mặt Trời. Các hố đen loại này trong Thiên văn học gọi là Stellar-được hình thành từ sự sụp đổ của một ngôi sao;
* Các hố đen siêu nặng (Supermassive) có khối lượng bằng một thiên hà; các hố đen dạng này tồn tại ở trung tâm của hầu hết các Dải ngân hà;
* Hố đen siêu nhỏ (miniature black hole)được giả thiết là được hình thành ngay sau vụ nổ "Big Bang"-vụ nổ được cho là khởi nguồn của vũ trụ khoảng 15 tỷ năm về trước.

Các tranh cãi
Tháng 3 năm 2005, nhà vật lý George Chapline làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence ở California cho rằng các hố đen không tồn tại, và rằng các vật thể mà mọi người cho là các hố đen thực ra là các ngôi sao năng lượng đen. Ông đưa ra kết luận này từ các nghiên cứu cơ học lượng tử. Mặc dù đề xuất của ông không được đông đảo các nhà vật lý ủng hộ, nhưng vẫn thu hút được nhiều quan tâm của công luận.