Lỗ đen, lỗ trắng & lỗ sâu

Lỗ đen là một định nghĩa không còn quá độc đáo với đa phần người có quan tâm tới vật lý thiên văn. Đã có nhiều nội dung & ebook bằng tiếng Việt về chủ đề này. Ngoài ra, vẫn còn rất nhiều thắc mắc mà tôi thường thu được về những vấn đề liên quan tới nguồn gốc & phương thức hoạt động của các lỗ đen cũng như những đối tượng liên quan tới chúng. Trong bài này tôi sẽ nỗ lực viết một cách ngắn gọn & dễ hiểu nhất có thể về những định nghĩa này: lỗ đen, lỗ trắng & lỗ sâu.

Lỗ đen

Phán đoán trước nhất về lỗ đen (hay một số ebook tiếng Việt dịch là hố đen) xuất phát điểm từ rất sớm ngay sau thời điểm thuyết tương đối rộng của Albert Einstein chào đời năm 1916. Lỗ đen được đề nghị bởi Karl Schwarzschild như một tiên đoán phương pháp cho không gian miêu tả bởi phương trình trường của Einstein. Việc này nằm trên lý thuyết cho tới khi có tìm tòi về các sao neutron, chứng minh trước nhất cho sự sụp đổ cuốn hút sau thời điểm các người nổi tiếng đốt cháy hết năng lượng của mình.

 
Sự tạo dựng & vài định nghĩa căn bản

Các lỗ đen thông thường tạo dựng theo chế độ sau:

Khi các người nổi tiếng đốt cháy hết năng lượng của mình, chuẩn xác là toàn thể hydro đã phối hợp (phản ứng nhiệt hạch) để tạo thành Heli thì chúng không còn năng lượng giải phóng ra để cân đối với lực cuốn hút của chính mình hướng vào tâm nữa nên người nổi tiếng co lại.

Trong công cuộc co lại này các hạt nhân Heli lại bị ép chặt & phối hợp tạo thành các hạt nhân nặng hơn (C, O hay hơn nữa), công cuộc này giải phóng ra 1 lượng năng lượng làm cái vỏ ngoài phồng to (công đoạn sao đồ sộ đỏ) trong lúc lõi trong vẫn co lại rất nhanh chóng.

Với các sao cỡ Mặt Trời, vỏ ngoài bị phá vỡ khi đã phồng to đến hạn chế khẳng định, tạo nên một tinh vân hành tinh. Với các sao nặng, lõi trong nở rộ lần cuối do năng lượng giải phóng từ sự đo đạc hạt nhân nặng ở lõi sao, đây là vụ nổ supernova (thường được dịch không chuẩn xác ra tiếng Việt là siêu tân tinh), khí & bụi được ném ra từ vụ nổ dữ dội này tạo nên một tinh vân, được gọi là tàn dư của supernova.

Lõi trong sau vụ nổ này tiếp tục co thêm & trở thành sau lùn trắng với những sao như Mặt Trời, tức là chúng trở thành một thiên thể chết bức xạ rất ít, rồi dần tắt hẳn không còn phát ra ánh sáng nữa. Với các sao to hơn  khoảng 1,4 lần khối lượng Mặt Trời (hạn chế Chandrasekhar) thì chúng tiếp tục co lại, co tới mức ép các electron (điện tử) vào proton để trở thành neutron, khi đó toàn người nổi tiếng là một khối neutron với khối lượng riêng cực lớn & vận tốc quay cực cao, này là các sao neutron. Những sao có khối lượng to hơn nữa, khoảng 2-3 lần khối lượng Mặt Trời hoặc hơn (hạn chế Tolman–Oppenheimer–Volkoff) thì công cuộc co lại chưa chấm dứt ngay cả khi đã biến đổi thành sao neutron. Vật chất bị nén tới mức tạo thành một vụ sụp đổ…

Trường cuốn hút miêu tả trong thuyết tương đối rộng của Einstein là không gian chịu ràng buộc của cuốn hút do sự có mặt của khối lượng (giống như điện trường quanh vật đưa điện), khi vật chất đưa khối lượng này sụp đổ (nhưng bản thân khối lượng không mất đi) nó dẫn theo sự biến dạng của trường cuốn hút, hay là sự biến dạng của không gian chung quanh. Một vùng không gian quanh người nổi tiếng chết bây giờ bị uốn cong thành một vùng khép kín (có thể hình dung dễ hiểu là dạng một khối cầu)…

Người nổi tiếng như miêu tả trên đã biến đổi thành một LỖ ĐEN (black hole) & vùng không gian khép kín nêu trên gọi là chân mây buổi lễ (sự kiện horizon) của lỗ đen. Toàn thể vật chất của lõi người nổi tiếng sụp đổ vào 1 điểm trọng điểm của chân mây buổi lễ gọi là điểm kì dị (singularity). Gọi là kì dị, dễ dàng là vì nó khong tuân theo các định luật vật lý mà tất cả chúng ta đã có, cũng giống như việc vụ nổ Big Bang tạo dựng nên vũ trụ, vì dễ dàng là các định luật vật lý hiện tại chỉ miêu tả không-thời gian tổng quát của vũ trụ ngày nay thôi.

 

Lỗ đen siêu nặng

Đây là một loại lỗ đen đặc biệt. Nó là loại lỗ đen lớn nhất vũ trụ, có mặt ở khu vực trọng điểm của đa phần các thiên hà lớn đã biết ngày nay. Lỗ đen siêu nặng có khối lượng có thể dao động từ hàng trăm nghìn cho tới hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Khác với lỗ đen thông thường tạo nên từ chết chóc của các sao nặng & có khối lượng tương tự các sao (thường gọi là lỗ đen khối lượng sao), lỗ đen siêu nặng được nghĩ rằng có khối lượng lớn nhờ bồi tụ khí ở trọng điểm thiên hà & hợp nhất nhiều lỗ đen. Mặc dầu vậy, chế độ chuẩn xác của việc lỗ đen siêu nặng lớn lên hiện tại chưa được làm rõ. Có hai cốt truyện căn bản cho sự tạo nên loại thiên thể này. Cốt truyện đầu tiên cho là các lỗ đen siêu nặng lớn lên từ lỗ đen ban đầu là lỗ đen có khối lượng khoảng vài chục tới 100 lần khối lượng Mặt Trời, chào đời do sự sụp đổ cuốn hút của các sao nặng & sau đó lớn lên nhờ sáp nhập với các lỗ đen khác & hút khí từ các sao sát bên. Ngoài ra cốt truyện này đòi hỏi lỗ đen phải lớn lên với vận tốc khác thường, cho nên cốt truyện thứ hai có lẽ khả dĩ hơn, đặc biệt là khi cho tới năm 2016 đã có những phát hiện trước nhất về công đoạn đầu của những lỗ đen này. Theo cốt truyện được ủng hộ hơn này, các lỗ đen siêu nặng không lớn lên nhanh khác thường mà bản thân chúng có khối lượng khởi điểm lớn (ít nhất 100.000 lần khối lượng Mặt Trời) do chúng không chào đời từ sụp đổ vật chất cuối đời của sao mà chào đời trực tiếp từ sụp đổ của các đám mây khí lớn. Ở trọng điểm của thiên hà Milky Way có một lỗ đen siêu nặng, ở địa điểm của nguồn bức xạ Sagittarius A*, nó có khối lượng khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt Trời.

Xem Thêm  Vệ tinh là gì: đặc điểm, chủng loại, công dụng và chức năng

Lỗ đen siêu nặng ở trọng điểm thiên hà M87, được chụp bởi dự án Kính thiên văn Chân mây buổi lễ (EHT) & thông báo ngày 10/04/2019. Đây là bức ảnh trước nhất được chụp trực tiếp về khu vực ngay phía ngoài của chân mây buổi lễ của lỗ đen. Mọi hình ảnh khác bạn thấy trong bài này cũng như ở các ebook khác đều là hình ảnh mô phỏng.

 

Chính sách của lỗ đen hiểu dễ dàng như sau

Vì không gian chứa trường cuốn hút đã bị uốn cong như nêu trên, không một vật thể nào chạm tới chân mây buổi lễ của lỗ đen còn tồn tại thể thoát ra ngoài kể cả ánh sáng.
Điều này giống với việc bạn gặp một chặng đường cong mà dù mong muốn hay không bạn cũng sẽ phải đi theo nó vì dễ dàng là bạn chẳng thể đi thẳng được chứ không phải là vì bạn thấy một vài địa điểm ăn uống cuốn hút hay một cô gái đẹp đẹp chờ cuối chặng đường đó.

Vì vậy việc ánh sáng cũng bị uốn cong khi đi gần lỗ đen & sẽ chẳng thể thoát ra nếu nó lỡ chạm tới chân mây buổi lễ chẳng hề minh chứng một tí gì cho giả định hạt photon có khối lượng động như một số người thường nhầm tưởng.

Này là với ánh sáng, còn với vật chất thông thường thì có một cảnh báo rằng vì bên trong chân mây buổi lễ của lỗ đen, lực cuốn hút là lớn tới mức vô hạn, nên nó sẽ xé rách mọi vật có kích cỡ có thể lọt vào đó (có chăng chỉ chừa các hạt căn bản). Mặc dầu không ngoại trừ trường hợp có những đường hay những khe hở để cho phép ngoại lệ nhưng tới bây giờ thì đó tạm thời vẫn chỉ tồn tại trên các tác phẩm viễn tưởng. Thực tiễn là tất cả chúng ta không có cơ may sống sót nếu bị lọt vào một lỗ đen, & cả các vật thể tất cả chúng ta đưa theo cũng vậy, sẽ chẳng có tàu khảo sát nào cho tất cả chúng ta biết điều gì xảy ra bên trong một lỗ đen.

Một thắc mắc thường gặp là: loài người có thể xem xét thấy lỗ đen hay không?

Câu giải đáp là không, vì dễ dàng mắt tất cả chúng ta chứng kiến các vật là do ánh sáng từ chúng đi tới, với lỗ đen nó không phát ra & cũng không phản xạ lại ánh sáng (vì ánh sáng đã bị nó nuốt hết khi tới gần) nên việc chứng kiến một lỗ đen là chẳng thể. Tuy nhiên sự tồn tại của các lỗ đen vẫn được phán đoán dựa theo tương tác chúng tạo thành chung quanh, ví dụ như việc hút vật chất của sao gắn bó (nếu lỗ đen trước đó là một người nổi tiếng trong hệ gồm hai hay nhiều sao) hay hiệu ứng bẻ cong ánh sáng xem xét được (thấu kính cuốn hút – gravitational lens)

Xem Thêm  Top 10 bộ phim về du hành thời gian hay nhất (Cập nhật 2021)

Theo mô hình bây giờ về các thiên hà, tại trọng điểm đa phần các thiên hà đều có một lỗ đen với khối lượng cưc lớn (super massive black hole). Lỗ đen dạng này có khối lượng bằng hàng triệu hay thậm chí hàng tỷ lần Mặt Trời của các bạn. Những lỗ đen này không tạo nên từ chấm dứt của một người nổi tiếng, mà từ sự sup sụp vật chất qui mô lớn trong công đoạn đầu của thiên hà, trong thời gian sau đó chúng tiếp tục nuốt chửng các sao & các lỗ đen nhỏ chung quanh để lớn lên như ngày nay.

Một thắc mắc thân thuộc khác về lỗ đen là: Vật chất & các thông tin chúng đưa theo sau thời điểm bị hút vào lỗ đen sẽ đi đâu?

Năm 1997, Stephen Hawking có 1 cuộc cá cược với John Preskill về việc các lỗ đen sẽ bốc hơi, bay biến trong không-thời gian đưa theo toàn thể thông tin chúng đánh cắp. Preskill thì là người tin rằng các thông tin không mất đi sau sự bốc hơi của lỗ đen. Tới năm 2004, Hawking đã công nhận thua cuộc cá cược này (hiển nhiên chỉ là theo kết quả của các phương trình trên mô hình lý thuyết vì tất cả chúng ta chưa đủ khả năng & cũng không có thời dịp xem xét sự bốc hơi của bất kể lỗ đen nào)

 

Nghi vấn cuối cùng

Một thắc mắc đáng chú trọng mà bạn có thể đưa ra là: liệu lỗ đen có thực sự tồn tại hay những xem xét gián tiếp mà các nhà khoa học có được thực ra là một dạng đối tượng khác? Đây là thắc mắc hợp lý. Câu giải đáp chung là: không có bất kể tìm hiểu nào từng có cho phép tất cả chúng ta chứng kiến lỗ đen, & trong tương lai nhiều năm tới cũng vậy, vì dễ dàng là tự lỗ đen không phát ra bất kể bức xạ nào. Mặt khác, không có lỗ đen nào đủ gần tất cả chúng ta để có thể gửi các tàu khảo sát tới, & trọng yếu hơn nữa là nếu một tàu khảo sát đi vào sát chân mây buổi lễ của lỗ đen để kiểm chứng thì nó cũng song song mất khả năng gửi thông tin về cho tất cả chúng ta.

Thế nhưng, giống như khi chứng kiến ánh sáng hắt qua ô cửa sổ của một căn nhà lúc nửa đêm làm bạn biết chắc cú có ít nhất một ngọn đèn đang sáng trong căn nhà đó, lỗ đen cũng được các nhà khoa học xác nhận bằng những hiệu ứng tương đương. Những hiệu ứng đã được phát hiện đó (sự bồi tụ vật chất, sóng cuốn hút, …) chẳng thể đến từ bất kể dạng thiên thể nào khác trong vũ trụ. Điều đó có nghĩa là nguồn gốc của những hiệu ứng đó phải là một thứ gì đó có đúng những thuộc tính như những gì mà các nhà khoa học phán đoán về lỗ đen. Trên thực tiễn, có những giả thiết khác lý giải cho những hiệu ứng đó, nhưng trong toàn bộ các giả thiết thì chỉ có mô hình lỗ đen giải quyết được đa phần mọi vấn đề được đăt ra. Chính vì vậy các nhà khoa học tuyệt đối có thể tổng kết rằng các lỗ đen thực sự tồn tại, hay nói cách khác khách quan hơn: vật thể gây ra những hiệu ứng đó có thể không giống những gì bạn tưởng tượng hay như trong những bộ phim viễn tưởng về lỗ đen, nhưng nó ở đó & nó khớp với mô hình mà khoa học phán đoán, nên nó được gọi là lỗ đen.

Sau đây, tất cả chúng ta hãy tìm hiểu một đối tượng lý thuyết khác:

Sau đây, tất cả chúng ta hãy tìm hiểu một đối tượng lý thuyết khác:

 

Lỗ trắng

Khác với lỗ đen đã được kiểm nghiệm sự tồn tại ít ra là qua các hiệu ứng trực tiếp nó gây ra như đã nêu bên trên, lỗ trắng là một đối tượng lý thuyết thuần túy chưa hề được kiểm chứng bởi bất kể xem xét thử nghiệm nào.

LỖ TRẮNG (white hole) là một định nghĩa lý thuyết, có tính đối lập với lỗ đen. Lỗ trắng cũng có một chân mây buổi lễ & 1 điểm kì dị ở trọng điểm của nó. Nhưng trong lúc lỗ đen chỉ cho vật chất đi ngang qua chân mây buổi lễ vào phía trong mà không cho đi ra ngoài thì lỗ trắng lại chỉ giải phóng các bức xạ ra phía ngoài chân mây buổi lễ mà không cho chúng đi vào phía trong.

Xem Thêm  Những tên tuổi gốc Việt nổi tiếng trong giới thiên văn quốc tế

Một thắc mắc hay hiện ra bước này là như thế là lỗ trắng chỉ đẩy ra chứ không hút vào, nó có phải một trường hơph phản cuốn hút (anti-gravity)?

Câu giải đáp là không. Lỗ trắng cũng có lực cuốn hút & nó hút mọi thứ về phía nó, có điều toàn bộ sẽ bị chặn lại & phản xạ trái lại khi chạm vào chân mây buổi lễ của nó.

Lỗ trắng là một phán đoán khác dựa theo mô hình của Schwarzschild để cân đối phương trình trường của Einstein, theo đó thì thông tin bặt tăm trong lỗ đen có thể được “tuồn” ra ngoài từ lỗ trắng.

Lỗ trắng như thế có thể nằm trong tương lai hay dĩ vãng của lỗ đen, sự đảo ngược công cuộc của lỗ đen hoặc ở một không-thời gian hoàn toàn khác, một vũ trụ khác.

 

 

Những vấn đề gặp phải trong mô hình lỗ trắng thứ đặc biệt là nếu như miêu tả, thì nó có thể là công cuộc ngược của lỗ đen, tức là nó đi trái lại theo chiều của các công cuộc vật lý, chuẩn xác là nó vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, điều đó là quá sức vô lý, & thứ hai là nếu nó thực sự tồn tại trong vũ trụ của các bạn thì vận tốc giải phóng vật chất của nó sẽ làm nó bặt tăm chỉ trong một khoảng thời gian cực ngắn nên tất cả chúng ta chẳng có thời dịp nào xem xét thấy một lỗ trắng như phán đoán lý thuyết.

Một phương pháp cho tình huống đó là lỗ trắng không nằm trong vũ trụ hiện tại của các bạn mà phải ở một vùng không-thời gian khác hoặc một vũ trụ hoàn toàn khác. Vật chất nó được phân phối & rồi phóng ra bên ngoài có thể đến tức lỗ đen ở không-thời gian khác qua một tầng hầm chạy xuyên suốt không-thời gian hoặc thậm chí xuyên suốt các vũ trụ gọi là các lỗ sâu.

Lỗ sâu

Hình học Schwarzschild đề xuất rằng mô hình chuẩn cho lỗ đen & lỗ trắng tương ứng với phương trình trường của Einstein phải bao gồm hai vũ trụ (hay hai hệ không thời gian khác nhau) mà một bên chứa một lỗ đen & một bên chứa một lỗ trắng, gắn liền nhau bởi một tầng hầm gọi là LỖ SÂU (wormhole).

Sự chào đời của định nghĩa đó là một phương pháp cho các phương trình của Einstein, cũng như một giải pháp cho giả thuyết cầu Einstein-Rosen (Einstein-Rosen Bridge)

Tất cả chúng ta nên cảnh báo lần cuối rằng: Lỗ sâu cũng như lỗ trắng vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, chính vì như vậy thực tiễn chúng chẳng thể tồn tài trong phần vũ trụ chứng kiến của các bạn. Tuy nhiên trong thuyết tương đối rộng của Einstein thì thời gian có tính đối xứng (không có định nghĩa xuôi hay ngược thời gian) nên mô hình này được đồng ý. Có nghĩa là lỗ trắng & lỗ sâu nối chúng với các lỗ đen có thể tồn tại ở các vùng không-thời gian khác mà tất cả chúng ta chẳng thể xem xét, hay thậm chí là trong một vũ trụ khác.

Với một khả năng không hoàn toàn bền vững như nêu trên, lỗ sâu vẫn được đặt hy vọng một cách hết sức ân cần bởi những người … mơ mộng. Người ta tin rằng một lỗ sâu có thể giúp loài người vượt mặt không gian mau hơn cả ánh sáng (faster than light travel) bởi một công nghệ gọi là warp drive hay du hành về dĩ vãng hoặc tới tương lai (time travel), …

 


Tàu không gian Dreadnought trong game chiến thuật Astro Empires sử dụng công nghệ warp drive để di chuyển giữa các thiên hà

Trong những năm gần đây, người ta cũng nhiều lần thử giải thích các hiện tượng huyền bí như sự mất hút đột ngột của loài người hay các con tàu, các chuyến cất cánh … rằng họ đã lạc vào một lỗ sâu mở ra ngay trên Trái Đất.

Ngoài ra, xin nhắc nhở lại rằng toàn bộ sự tồn tại của lỗ trắng & lỗ sâu tới bây giờ vẫn chỉ tồn tại trên hình học Schwarzschild không hơn, & bản thân mô hình lý thuyết cũng cho thấy rằng rất khó có thể có sự tồn tại của những thứ này trong vũ trụ chứng kiến của các bạn.

(Bạn đọc có thể khám phá cụ thể hơn qua quyển sách tôi đã xuất bản năm 2018 là “Vũ trụ: xa hơn Mây Oort“.)

Đặng Vũ Tuấn Sơn

Vui lòng ghi rõ tên Author & nguồn trích dẫn Thienvanvietnam.org khi bạn sử dụng nội dung này

By ads_law

Trả lời