Lỗ đen (còn gọi là hố đen) là một vùng trong không gian nơi vật chất bị nén đặc tới mức lực hấp dẫn mạnh đến nỗi không gì thoát ra được, kể cả ánh sáng. Ranh giới của vùng đó gọi là chân trời sự kiện: vượt qua nó là không có đường quay lại. Lỗ đen không phải "cái lỗ" theo nghĩa thông thường mà là một vật thể có khối lượng, có thể bằng vài lần tới hàng tỷ lần Mặt Trời.
Phần lớn lỗ đen khối lượng sao hình thành khi một ngôi sao rất nặng cạn nhiên liệu và lõi của nó sụp đổ. Từ chỗ chỉ là nghiệm toán học của thuyết tương đối rộng, lỗ đen nay đã được quan sát theo nhiều cách: sóng hấp dẫn từ năm 2015, ảnh chụp trực tiếp từ năm 2019. Bài này kể lại những gì khoa học đã biết chắc, những điều còn là giả thuyết, và gỡ vài hiểu lầm phổ biến như "lỗ đen hút hết mọi thứ".
Vì sao ánh sáng cũng không thoát được
Muốn rời khỏi bề mặt một thiên thể, vật phải đạt vận tốc thoát. Với Trái Đất, con số này khoảng 11,2 km/s; tên lửa phải đạt tới đó mới bay ra khỏi lực hút. Thiên thể càng nặng và càng nhỏ gọn thì vận tốc thoát càng lớn. Nếu nén một khối lượng vào một bán kính đủ nhỏ, vận tốc thoát sẽ vượt tốc độ ánh sáng, khoảng 300.000 km/s, mà theo thuyết tương đối không gì đi nhanh hơn ánh sáng. Lúc đó vật thể trở thành lỗ đen.
Bán kính tới hạn đó gọi là bán kính Schwarzschild, tỷ lệ thuận với khối lượng: khoảng 3 km cho mỗi lần khối lượng Mặt Trời. Muốn biến Mặt Trời thành lỗ đen phải nén nó, hiện có đường kính khoảng 1,39 triệu km, vào một quả cầu bán kính chừng 3 km. Trái Đất muốn thành lỗ đen thì phải nén còn cỡ một hạt lạc, bán kính khoảng 9 mm. May mắn là trong tự nhiên không có quá trình nào làm được điều đó với Mặt Trời hay Trái Đất.
Theo thuyết tương đối rộng của Einstein công bố năm 1915, lực hấp dẫn thật ra là sự cong của không thời gian do khối lượng gây ra. Ở gần lỗ đen, không thời gian cong tới mức mọi đường đi đều dẫn vào trong. Chỉ vài tháng sau khi Einstein công bố, Karl Schwarzschild đã tìm ra lời giải mô tả vật thể như vậy, nhưng phải tới nửa sau thế kỷ 20 giới khoa học mới tin rằng lỗ đen thật sự tồn tại trong vũ trụ.
Lỗ đen hình thành như thế nào
Từ cái chết của sao nặng. Một ngôi sao sống nhờ cân bằng giữa lực hấp dẫn kéo vào và áp suất từ phản ứng hạt nhân đẩy ra. Khi sao có khối lượng lớn, thường trên khoảng 20 lần Mặt Trời, đốt hết nhiên liệu, lõi không còn gì chống đỡ và sụp đổ trong chưa tới một giây. Lớp vỏ ngoài bị thổi tung trong vụ nổ siêu tân tinh, còn lõi đủ nặng thì co lại thành lỗ đen khối lượng sao, thường từ vài đến vài chục lần Mặt Trời.
Mặt Trời sẽ không thành lỗ đen. Mặt Trời quá nhẹ. Khoảng 5 tỷ năm nữa, nó sẽ phình thành sao khổng lồ đỏ rồi co lại thành sao lùn trắng, một khối đặc cỡ Trái Đất, nguội dần. Sao nặng hơn vừa phải sẽ thành sao neutron. Chỉ những sao nặng nhất mới có kết cục là lỗ đen.
Lỗ đen siêu khối lượng ở tâm thiên hà. Hầu như mọi thiên hà lớn đều có một lỗ đen nặng hàng triệu tới hàng tỷ lần Mặt Trời ở trung tâm. Ở tâm Ngân Hà của chúng ta là Sagittarius A*, nặng khoảng 4 triệu lần Mặt Trời, cách Trái Đất khoảng 26.000 năm ánh sáng. Những lỗ đen này lớn lên như thế nào nhanh đến vậy trong vũ trụ sơ khai vẫn là câu hỏi mở.
Sáp nhập. Hai lỗ đen quay quanh nhau có thể dần tiến lại gần và hợp nhất thành một lỗ đen lớn hơn, phát ra sóng hấp dẫn làm rung nhẹ không thời gian. Ngày 14/9/2015, hai đài LIGO ở Mỹ lần đầu bắt được sóng hấp dẫn từ một vụ sáp nhập như vậy, cách hơn một tỷ năm ánh sáng. Phát hiện này mang về giải Nobel Vật lý năm 2017.
Hiểu lầm và sự thật về lỗ đen
Phim ảnh làm lỗ đen trở nên quen thuộc, nhưng cũng gieo không ít hiểu lầm.
| Hiểu lầm | Sự thật |
|---|---|
| Lỗ đen như máy hút bụi, hút mọi thứ xung quanh | Ở khoảng cách đủ xa, lỗ đen hút y như một ngôi sao cùng khối lượng. Nếu Mặt Trời bị thay bằng lỗ đen nặng đúng bằng nó, Trái Đất vẫn quay theo quỹ đạo cũ, chỉ có điều trời tối và lạnh đi |
| Lỗ đen là một cái lỗ trống rỗng | Lỗ đen chứa khối lượng cực lớn trong vùng rất nhỏ. Chữ "lỗ" chỉ diễn tả việc ánh sáng đi vào mà không ra |
| Lỗ đen hoàn toàn vô hình | Bản thân lỗ đen không phát sáng, nhưng khí bị hút vào xoáy thành đĩa bồi tụ nóng hàng triệu độ, phát sáng rực rỡ. Đó là cách ta phát hiện chúng |
| Lỗ đen tồn tại mãi mãi | Theo lý thuyết Stephen Hawking đưa ra năm 1974, lỗ đen phát ra bức xạ rất yếu và bay hơi dần, dù với lỗ đen khối lượng sao, quá trình này lâu hơn tuổi vũ trụ hiện nay rất nhiều lần. Bức xạ Hawking chưa được quan sát trực tiếp |
| Có một lỗ đen sắp nuốt Trái Đất | Lỗ đen gần nhất đã biết, Gaia BH1, cách khoảng 1.560 năm ánh sáng, quá xa để ảnh hưởng gì tới chúng ta |
Lỗ đen siêu khối lượng ở tâm Ngân Hà cũng không hề kéo Hệ Mặt Trời vào. Chúng ta quay quanh tâm thiên hà theo một quỹ đạo ổn định, mỗi vòng mất khoảng 230 triệu năm, giống như Trái Đất quay quanh Mặt Trời mà không rơi vào.
Nếu rơi vào lỗ đen thì chuyện gì xảy ra
Với lỗ đen khối lượng sao, điều xảy ra trước cả khi tới chân trời sự kiện là hiện tượng giới vật lý gọi vui là "sợi mì hóa". Lực hút ở chân bạn, phía gần lỗ đen hơn, mạnh hơn hẳn lực hút ở đầu. Chênh lệch này, gọi là lực thủy triều, kéo dài cơ thể theo chiều dọc và ép theo chiều ngang, như kéo một sợi mì. Ở lỗ đen nhỏ, chênh lệch đó đủ xé nát mọi vật thể từ khá xa bên ngoài chân trời sự kiện.
Điều nghịch lý là với lỗ đen siêu khối lượng, lực thủy triều tại chân trời sự kiện lại nhẹ hơn nhiều vì chân trời rất rộng. Về lý thuyết một phi hành gia có thể vượt qua chân trời mà không cảm thấy gì đặc biệt ngay lúc đó, nhưng sau đó không có cách nào gửi tín hiệu ra ngoài, và cuối cùng vẫn bị kéo về tâm.
Người quan sát đứng xa thì thấy một cảnh khác hẳn. Do thời gian chậm lại trong trường hấp dẫn mạnh, nhà du hành như chậm dần khi tiến về chân trời, ánh sáng từ họ đỏ dần, mờ dần rồi biến mất, không bao giờ thấy họ thực sự vượt qua. Cùng một sự kiện nhưng hai người kể hai câu chuyện khác nhau, cả hai đều đúng trong hệ quy chiếu của mình. Còn ở tâm lỗ đen, nơi thuyết tương đối dự đoán mật độ vô hạn gọi là điểm kỳ dị, thì các định luật vật lý hiện có không còn áp dụng được; đây là chỗ các nhà vật lý cần một lý thuyết mới kết hợp hấp dẫn với cơ học lượng tử.
Con người đã "nhìn thấy" lỗ đen như thế nào
Ngày 10/4/2019, dự án Kính thiên văn Chân trời sự kiện (Event Horizon Telescope) công bố bức ảnh đầu tiên của một lỗ đen: lỗ đen siêu khối lượng ở tâm thiên hà M87, cách khoảng 55 triệu năm ánh sáng, nặng khoảng 6,5 tỷ lần Mặt Trời. Ảnh cho thấy một vành sáng màu cam bao quanh vùng tối ở giữa, chính là bóng của lỗ đen in trên nền khí nóng. Ngày 12/5/2022, nhóm này công bố tiếp ảnh của Sagittarius A* ở tâm Ngân Hà.
Để chụp được, các nhà khoa học kết nối nhiều kính thiên văn vô tuyến rải khắp các châu lục, đồng bộ bằng đồng hồ nguyên tử, biến cả Trái Đất thành một kính thiên văn khổng lồ. Dữ liệu lớn tới mức không truyền qua mạng được mà phải gửi ổ cứng bằng máy bay về trung tâm xử lý.
Trước đó, bằng chứng mạnh nhất là theo dõi các ngôi sao quay quanh tâm Ngân Hà suốt hàng chục năm. Quỹ đạo của chúng cho thấy có một vật thể nặng hàng triệu lần Mặt Trời mà vô hình nằm ở đó. Hai nhà thiên văn Reinhard Genzel và Andrea Ghez nhận giải Nobel Vật lý năm 2020 cho công trình này, cùng với Roger Penrose cho các chứng minh lý thuyết rằng lỗ đen là hệ quả tất yếu của thuyết tương đối rộng.
Câu hỏi thường gặp
Lỗ đen trắng có tồn tại không?
Lỗ trắng là một nghiệm toán học của thuyết tương đối rộng, hình dung như lỗ đen chạy ngược thời gian: không gì đi vào được, chỉ có vật chất phun ra. Đến nay chưa có quan sát nào cho thấy lỗ trắng tồn tại trong tự nhiên, nên nó vẫn chỉ là khả năng trên lý thuyết.
Lỗ đen có dẫn tới vũ trụ khác hay du hành thời gian không?
Ý tưởng lỗ sâu đục nối hai vùng không thời gian có xuất hiện trong lời giải toán học, nhưng chưa có bằng chứng nào cho thấy chúng tồn tại, và nếu có thì theo tính toán hiện nay chúng rất không ổn định. Du hành qua lỗ đen hiện vẫn là chất liệu cho phim khoa học viễn tưởng.
Máy gia tốc hạt có thể tạo ra lỗ đen nuốt Trái Đất không?
Không. Các va chạm trong máy gia tốc lớn nhất thế giới có năng lượng thấp hơn nhiều so với tia vũ trụ vẫn va vào khí quyển Trái Đất hằng ngày suốt hàng tỷ năm qua. Nếu những va chạm như vậy tạo ra lỗ đen nguy hiểm thì Trái Đất và Mặt Trăng đã không còn tồn tại.
Lỗ đen lớn nhất từng biết nặng bao nhiêu?
Những lỗ đen siêu khối lượng lớn nhất được ước lượng nặng hàng chục tỷ lần Mặt Trời, nằm ở tâm các thiên hà khổng lồ. Các con số này có sai số lớn và thường được cập nhật khi có phương pháp đo mới, nên danh hiệu lớn nhất hay thay đổi theo từng nghiên cứu.
Vì sao ảnh lỗ đen trông mờ như vậy?
Lỗ đen M87 nằm rất xa, trên bầu trời nó nhỏ cỡ một chiếc bánh vòng đặt trên bề mặt Mặt Trăng nhìn từ Trái Đất. Ảnh đã là giới hạn độ phân giải mà mạng kính thiên văn toàn cầu đạt được. Màu cam là màu được chọn để thể hiện cường độ sóng vô tuyến, không phải màu mắt người thấy.
Học sinh muốn tìm hiểu về lỗ đen nên bắt đầu từ đâu?
Nên bắt đầu từ khái niệm vận tốc thoát và lực hấp dẫn trong chương trình vật lý phổ thông, sau đó đọc sách phổ biến khoa học về vũ trụ được dịch sang tiếng Việt. Các tài liệu của các cơ quan vũ trụ lớn và câu lạc bộ thiên văn có nhiều mô phỏng trực quan, dễ hiểu.
