Lỗ đen

1. Định nghĩa

Lỗ đen (hố đen hoặc hốc đen) là một vùng trong không-thời giantrường cuốn hút ngăn cản mọi thứ, bao gồm cả ánh sáng cũng chẳng thể thoát ra. Thuyết tương đối rộng tiên đoán một lượng vật chất với khối lượng đủ lớn nằm trong phạm vi đủ nhỏ sẽ làm biến dạng không thời gian để trở thành lỗ đen. Chung quanh lỗ đen là một mặt xác nhận bởi phương trình toán học gọi là chân mây buổi lễ, mà tại đó khi vật chất vượt mặt nó sẽ chẳng thể thoát ra ngoài lỗ đen được.

Lỗ đen gọi là “đen” bởi vì nó hấp thụ mọi bức xạ & vật chất hút qua chân mây buổi lễ, giống như một vật đen tuyệt đối trong nhiệt động lực học; nó cũng không phải là một loại “lỗ” hay “hố” nào mà là vùng không – thời gian đừng để cho một thứ gì thoát ra. Lý thuyết trường lượng tử trong không thời gian cong tiên đoán tại chân mây buổi lễ lỗ đen có phát ra bức xạ giống như vật đen có nhiệt độ khẳng định phát ra bức xạ nhiệt. Nhiệt độ này tỉ lệ nghịch với khối lượng của lỗ đen, làm cho rất khó xem xét được bức xạ này so với các lỗ đen có khối lượng sao hay bình quân.

Trong thế kỷ 18, John Michell & Pierre-Simon Laplace từng xét đến vật thể có trường cuốn hút mạnh miêu tả bởi cơ học cổ kính làm cho ánh sáng chẳng thể thoát ra. Lý thuyết hiện đại trước tiên về đặc tính của lỗ đen đặt ra bởi Karl Schwarzschild năm 1916 khi ông tìm thấy nghiệm đúng đắn trước tiên cho phương trình trường Einstein, mặc dầu ý nghĩa vật lý & cách giải thích về vùng không – thời gian mà không thứ gì có thể thoát được do David Finkelstein đặt ra trước tiên vào năm 1958. Trong một thời gian dài, các nhà vật lý coi nghiệm Schwarzschild là diễn tả toán học thuần túy. Cho đến thập niên 1960, những tìm hiểu lý thuyết mới nêu ra rằng lỗ đen tạo dựng theo những tiên đoán chặt chẽ của thuyết tương đối tổng quát. Khi các nhà thiên văn phát xuất hiện các sao neutron, pulsar & Cygnus X-1 (một lỗ đen trong hệ sao đôi), thì những tiên đoán về tiến trình suy sụp cuốn hút trở thành hiện thực, & định nghĩa lỗ đen cùng với các thiên thể đặc chuyển thành lý thuyết diễn tả những thực thể đặc biệt này trong vũ trụ.

Theo lý thuyết, lỗ đen khối lượng sao tạo dựng từ sự suy sụp cuốn hút của những sao có khối lượng rất lớn trong công đoạn cuối của tiến trình tiến hóa. Sau thời điểm tạo dựng, chúng tiếp tục lôi kéo vật chất từ môi trường xoay quang, & khối lượng tăng dần lên theo thời gian. Cùng với tiến trình hòa lẫn & sáp nhập hai hay nhiều lỗ đen mà tồn tại những lỗ đen đồ sộ với khối lượng từ vài triệu cho đến hàng chục tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Các dự án thăm dò cho thấy hầu hết tại trọng tâm thiên hà lớn đều tồn tại ít nhất một lỗ đen đồ sộ.

Mặc dầu theo khái niệm nó là vật thể đen hoàn toàn hay vô hình, sự tồn tại của lỗ đen có thể suy đoán thông qua tương tác của nó với môi trường vật chất xoay quang & bức xạ như ánh sáng. Vật chất rơi vào lỗ đen tạo dựng nên vùng bồi tụ, ở giai đoạn này vật chất va chạm & ma sát với nhau, trở thành tình trạng plasma phát ra bức xạ cường độ lớn; khiến môi trường bao quanh lỗ đen trở thành một trong những vật thể sáng nhất trong vũ trụ. Nếu có một người nổi tiếng quay quanh lỗ đen, kiểu dáng & chu kỳ quỹ đạo của nó cho phép các nhà thiên văn tính ra được khối lượng của lỗ đen & khoảng cách đến nó. Những dữ liệu này giúp họ phân biệt được thiên thể đặc là lỗ đen hay sao neutron… Theo phương pháp này, nhiều lỗ đen được phát xuất hiện nằm trong hệ sao đôi, & tại trọng tâm Ngân Hà có một lỗ đen đồ sộ với khối lượng xấp xỉ 4,3 triệu lần khối lượng Mặt Trời.

Lý thuyết về lỗ đen, nơi có trường cuốn hút mạnh chăm chú trong vùng không – thời gian nhỏ, là một trong số những lý thuyết cần sự đo đạc của thuyết tương đối tổng quát diễn tả lực cuốn hút với Mô hình chuẩn của cơ học lượng tử. & hiện tại, các nhà lý thuyết vẫn đang trên đoạn đường xây dựng thuyết cuốn hút lượng tử để có thể diễn tả vùng kì dị tại trọng tâm lỗ đen.

Buổi lễ đo được trực tiếp trước tiên về sóng cuốn hút do nhóm LIGO loan báo ngày 11 tháng 2 năm 2016 cũng từng minh chứng trực tiếp sự tồn tại hệ hai lỗ đen khối lượng sao quay quanh nhau & cuối cùng sát nhập để tạo nên một lỗ đen quay khối lượng to hơn.

Lỗ đen là một trong số những đối tượng cuốn hút & lạ lùng nhất được phát hiện trong không gian ngoài kia. Chúng là những vật thể vô cùng đặc, với lực cuốn hút mạnh đến nỗi ngay cả ánh sáng cũng chẳng thể thoát khỏi chúng nếu đến đủ gần.

Albert Einstein là người trước tiên tiênđoán về các lỗ đen năm 1916 với thuyết tương đối tổng quát. Thuật ngữ “lỗ đen” được đưa ra năm 1967 bởi nhà thiên văn học người Mỹ John Wheeler, & lỗ đen trước tiên được phát hiện năm 1971.

Có ba loại lỗ đen: lỗ đen sao, lỗ đen siêu nặng (siêu đồ sộ), & lỗ đen bình quân.

Lỗ đen sao – những vật thể nhỏ nhưng đưa sức mạnh tử vong

Khi một người nổi tiếng đốt cháy hết nhiên liệu, nó có thể khởi đầu tiến trình suy sụp. So với những người nổi tiếng nhỏ, có khối lượng nhỏ hơn 3 lần khối lượng Mặt Trời, lõi mới chào đời sẽ là một sao neutron hoặc một sao lùn trắng. Nhưng khi một người nổi tiếng to hơn suy sụp, nó sẽ co lại để tiến đến tạo nên một lỗ đen sao.

Các lỗ đen chào đời bởi sự suy sụp của các người nổi tiếng đơn lẻ sẽ tương đối nhỏ, nhưng lại vô cùng sền sệt. Mỗi một vật thể như thế sẽ đóng gói hơn 3 lần khối lượng Mặt Trời vào một kích cỡ chỉ tương tự một tp. Những lỗ đen này hút bụi & khí từ các khu vực xoay quang chúng & tăng dần kích cỡ.

Theo Trọng điểm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian, “Dải Ngân Hà chứa một vài trăm triệu” lỗ đen sao như thế.

Hình vẽ miêu tả một lỗ đen trẻ trong vũ trụ. Credit: NASA/JPL-Caltech.

Lỗ đen siêu đồ sộ – Con quái thú đồ sộ trong vũ trụ

Các lỗ đen nhỏ thông dụng trong vũ trụ, nhưng người anh em họ của chúng, các lỗ đen siêu đồ sộ, lại chiếm ưu điểm. Các lỗ đen siêu đồ sộ lớn gấp hàng triệu, thậm chí là hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời, nhưng chỉ có kích cỡ tương tự với Mặt Trời mà thôi. Mỗi lỗ đen như thế được nghĩ rằng nằm ở khu vực trọng tâm của đa phần các thiên hà, bao gồm cả Dải Ngân Hà của các bạn.

Các nhà khoa học vẫn chưa chắc cú việc làm thế nào những lỗ đen lớn lao như thế được chào đời. Một khi chúng đã tạo nên, chúng có thể đơn giản thu thập khối lượng từ bụi & khí xoay quang chúng, lượng vật chất dồi dào ở tâm các thiên hà cho phép chúng tiến triển đến kích cỡ đồ sộ.

Các lỗ đen siêu đồ sộ có thể là kết quả của hàng trăm hay hàng ngàn các lỗ đen nhỏ phối hợp lại với nhau. Các đám mây khí lớn có thể cũng là nguồn gốc tạo dựng lỗ đen siêu đồ sộ khi suy sụp lại & lập tức tăng khối lượng. Khả năng thứ ba là sự suy sụp của một cụm sao, là một nhóm các người nổi tiếng bị ràng buộc bởi cuốn hút với nhau.

Lỗ đen kích cỡ bình quân – bị mắc kẹt ở giữa

Một lỗ đen khối lượng bình quân (intermediate-mass black hole – IMBH) là một lớp giả thuyết của lỗ đen có khối lượng trong khoảng từ 100 đến 1 triệu khối lượng Mặt Trời: to hơn đáng kể đối với các lỗ đen sao nhưng bé hơn lỗ đen siêu đồ sộ.

Các nhà khoa học từng cho là các lỗ đen chỉ hiện ra với kích cỡ nhỏ hoặc lớn, nhưng các tìm hiểu gần đây đã bật mý khả năng tồn tại của lỗ đen kích cỡ bình quân. Mỗi lỗ đen như thế có thể chào đời khi các người nổi tiếng trong một cụm sao va chạm trong một phản ứng dây chuyền. Một số lỗ đen loại này tạo dựng trong cùng khu vực có thể cuối cùng rơi vào nhau ở tâm thiên hà để tạo nên một lỗ đen siêu đồ sộ.

Năm 2014, các nhà thiên văn học phát hiện thứ hình như là một lỗ đen khối lượng bình quân trong cánh tay của một thiên hà xoắn ốc.

“Các nhà thiên văn học đã từng tìm kiếm rất vất vả những lỗ đen kích thước trung bình,” Tim Roberts (Đại học Durham, Vương quốc Anh) phát biểu.

“Đã có gợi ý rằng chúng tồi tại, nhưng các lỗ đen trung bình đã hoạt động như là một người thân mất tích từ lâu và chẳng được quan tâm tìm kiếm.”

Lý thuyết lỗ đen

Các lỗ đen có khối lượng vô cùng lớn, nhưng chỉ chiếm một khu vực rất nhỏ. Bởi vì mối liên hệ giữa khối lượng & cuốn hút, nên chúng có lực cuốn hút vô cùng mạnh khỏe. Hầu hết không có gì có thể thoát khỏi chúng – theo vật lý cổ kính, thậm chí ánh sáng cũng bị giữ lại bởi một lỗ đen.

Mỗi một lực kéo mạnh đều tạo ra một vấn đề liên quan đến xem xét khi nó đến với các lỗ đen – các nhà khoa học chẳng thể “nhìn thấy” chúng theo cách mà họ chứng kiến các người nổi tiếng & các vật thể khác trong vũ trụ. Trong thực tiễn, các nhà khoa học phải dựa trên các bức xạ phát ra khi bụi & khí bị hút vào các cấu tạo đặc. Các lỗ đen siêu đồ sộ, nằm ở tâm của thiên hà, có thể bị bao phủ bởi lớp bụi & khí dày đặc xoay quang, là thứ có thể chặn các bức xạ phát ra.

Thỉnh thoảng vật chất bị hút vào một lỗ đen, nó bị tóm gọn khỏi chân mây buổi lễ & bị ném ra ngoài, chứ không phải là bị nuốt vào bên trong. Những luồng vật chất sáng di chuyển ở vận tốc gần tương đối tính được tạo dựng. Mặc dầu lỗ đen bản thân nó là chẳng thể chứng kiến, thì nhưng luồng sáng mạnh đó lại có thể xem xét được từ khoảng cách rất xa.

Các lỗ đen có ba “lớp” – bên ngoài, bên trong chân mây buổi lễ & điểm kỳ dị.

Chân mây buổi lễ của một lỗ đen là ranh giới xoay quang miệng của lỗ đen, là nơi mà ánh sáng bị mất khả năng thoát khỏi lỗ đen. Khi một hạt đã đi ngang qua chân mây buổi lễ, nó chẳng thể thoát ra được. Cuốn hút là không đổi trên chân mây buổi lễ.

Khu vực bên trong của một lỗ đen, nơi chứa khối lượng của nó, được gọi là điểm kỳ dị, 1 điểm duy nhất trong không thời gian chăm chú khối lượng của lỗ đen.

Theo cơ học cổ kính của vật lý, không gì có thể thoát khỏi một lỗ đen. Ngoài ra, mọi thứ biến đổi đôi chút khi cơ học lượng tử được thêm vào trong phương trình. Theo cơ học lượng tử, mỗi hạt đều có một phản hạt, là một hạt có cùng khối lượng nhưng ngược vết tích điện. Khi chúng gặp nhau, cặp hạt – phản hạt có thể diệt trừ lẫn nhau.

Nếu một cặp hạt – phản hạt được tạo nên chỉ ngay đằng sau ranh giới chân mây buổi lễ của một lỗ đen, thì có khả năng một hạt sẽ bị rơi vào lỗ đen trong lúc hạt còn sót lại bị bắn ra ngoài. Kết quả là chân mây buổi lễ của lỗ đen có thể thu nhỏ lại & các lỗ đen có thể bị phân rã, một tiến trình bị loại bỏ theo cơ học cổ kính.

Tìm tòi huyền bí về những hố đen kỳ lạ nhất vũ trụ

Hố đen (lỗ đen hay hốc đen) là một trong huyền bí lớn nhất của vũ trụ mà cho tới thời điểm hiện tại các nhà khoa học vẫn chưa tìm được câu giải đáp. Hố đen quay nhanh nhất, hố đen sáng nhất, hố đen “ăn thịt lẫn nhau”… là những hố đen tiêu biểu kỳ lạ nhất trong vũ trụ.

Hố đen là một vùng trong không gian có trường cuốn hút lớn đến mức lực cuốn hút của nó đừng để cho bất kể một dạng vật chất nào – kể cả ánh sáng có thể thoát ra khỏi mặt biên của nó (chân mây buổi lễ). Hố đen tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, từ những vật thể vũ trụ có khối lượng chỉ cỡ người nổi tiếng cho tới những “quái vật” có khối lượng siêu lớn nằm ở trọng tâm của các dải thiên hà. Dưới đây là mục lục 10 trong số những hố đen tiêu biểu nhất.

Hố đen lớn nhất

Các hố đen nằm ở trọng tâm các thiên hà có khối lượng lớn gấp hàng triệu thậm chí là hàng tỉ lần khối lượng của Mặt trời. Các nhà khoa học mới đây đã phát xuất hiện hố đen lớn nhất được nghe đến cho tới thời điểm hiện tại ở hai thiên hà cận kề nhau.

Một trong số chúng được đặt tên là NGC 3842 – thiên hà sáng nhất trong cụm thiên hà Leo cách tất cả chúng ta khoảng 320 triệu năm ánh sáng, là nơi tồn tại của hố đen lớn có khối lượng gấp 9,7 tỉ lần khối lượng mặt trời. Thiên hà còn sót lại, NGC 4889, là thiên hà sáng nhất trong cụm thiên hà Coma, cách tất cả chúng ta 335 triệu năm ánh sáng, có chứa một hố đen có khối lượng xấp xỉ hố đen trong thiên hà NGC 3842. Tầng ngoài cùng của hố đen hay có cách gọi khác là “chân trời sự kiện” của hai hố đen này rộng gấp 5 lần khoảng cách từ Mặt trời tới sao Diêm Vương & chúng nặng gấp 2500 lần hố đen nằm ở trọng tâm dải thiên hà Milky Way có tầng ngoài cùng chỉ bằng một phần năm quỹ đạo của sao Thủy.

Hố đen nhỏ nhất

Hố đen nhỏ nhất được nhân loại nghe đến cho nay là trời có tên khoa học là IGR J17091-3624, có khối lượng bằng khoảng 1 phần ba khối lượng Mặt trời – gần chạm tới hạn chế trên lý thuyết để một hố đen có thể tồn tại ổn định. Tuy bé xíu nhưng chúng cực kì dữ dội, khi sức gió có thể đạt tới 20 triệu mph- nhanh gấp 10 lần vận tốc từ hố đen có khối lượng người nổi tiếng mà nhân loại đã xem xét được cho tới thời điểm hiện tại.

Hố đen “ăn” lẫn nhau

Hố đen hút toàn bộ thứ gì “chẳng may” tới gần chúng, & việc hố đen nuốt chửng hố đen khác cũng chẳng phải ngoại lệ. Các nhà khoa học mới đây đã phát xuất hiện hố đen lớn lao dị thường ở trọng tâm dải một dải thiên hà bị hố đen to hơn ở thiên hà khác “tiêu diệt”.

Tìm tòi này mới chỉ là trường hợp trước tiên. Các nhà thiên văn học đã từng nhìn thấy những công đoạn cuối cùng khi các thiên hà có khối lượng tương tự hợp nhất nhưng sự hợp nhất giữa những thiên hà với thiên hà gắn bó bé hơn vẫn hoài lẩn tránh các nhà khoa học. Sử dụng đài xem xét Chandra X ray của NASA, các nhà khoa học đã phát hiện 2 hố đen nằm ở trọng tâm thiên hà NGC 3393, với một hố đen lớn gấp 30 khối lượng Mặt trời & hố đen còn sót lại có khối lượng ít đặc biệt là lớn gấp 1 triệu lần khối lượng Mặt trời.

Hố đen phụt “đạn”

Hố đen nổi tiếng với khả năng hút mọi thứ nhưng các nhà khoa học còn phát xuất hiện rằng chúng cũng có thể phụt ra vật chất . Các xem xét so với hố đen H1743-322 lớn gấp 5 đến 10 lần khối lượng Mặt trời nằm cách tất cả chúng ta 28000 năm ánh sáng, đã hé lộ rằng nó có thể hút vật chất khỏi người nổi tiếng gần đó rồi bắn những “viên đạn” khí ra ngoài với vận tốc gần bằng 1/4 tốc độ ánh sáng.

Hố đen lớn tuổi nhất

Hố đen lớn tuổi nhất, là ULAS J1120+0641, được chào đời từ 770 triệu năm sau khoảng thời gian vụ nổ Big Bang tạo nên thiên hà của các bạn. Hố đen này nặng gấp 2 tỉ lần Mặt trời. Nhưng làm thế nào mà hố đen lại trở nên vô cùng lớn như thế ngay sau vụ nổ Big bang vẫn là huyền bí so với giới khoa học.

Hố đen sáng nhất

Dù lực hút trọng trường từ các hố đen đến nỗi ánh sáng chẳng thể thoát ra được, chúng cũng mang lại các quasar – các vật thể sáng nhất, mạnh khỏe & tích cực vận động nhất trong thiên hà. Khi các hố đen siêu lớn nằm ở trọng tâm thiên hà chúng hút khí & bụi ở xoay quang & phun ra một lượng năng lượng đồ sộ. Quasar sáng nhất tất cả chúng ta có thể xem xét được là 3C 273, cách tất cả chúng ta 3 tỉ năm ánh sáng.

Hố đen “lang bạt”

Khi các thiên hà va chạm, hố đen có thể thoát ra khỏi nơi xảy ra va chạm & du hành lang thang trong vũ trụ. Hố đen như thế trước tiên được nghe đến là SDSSJ0927+2943, nặng xấp xỉ 600 triệu lần mặt trời & di chuyển trong không gian với vận tốc 5.9 triệu mph. Có tới hàng trăm hố đen đang lang thang khắp thiên hà Milky Way.

Hố đen khối lượng bình quân

Các nhà khoa học từ lâu đã đề nghị rằng hố đen có 3 kích thước là nhỏ, bình quân, & lớn. Một cách tương đối, các hố đen nhỏ có thể nặng gấp vài mặt trời là chuyện bình bình, trong lúc những hố đen siêu lớn nặng gấp hàng triệu cho tới hàng tỉ lần mặt trời được cho nằm ở ở trọng tâm các thiên hà.

Ngoài ra, các hố đen có khối lượng bình quân vẫn lẫn tránh các nhà khoa học suốt nhiều năm qua. Mãi gần đây, họ mới phát xuất hiện một hố đen khối lượng bình quân, HLX-1 lớn gấp 20000 lần mặt trời & cách Trái Đất 290 triệu năm ánh sáng. Các hố đen kích thước bình quân là nền móng để tạo dựng các siêu hố đen, vì thế tìm hiểu chúng sẽ giúp tất cả chúng ta hiểu thêm về sự tạo dựng & tiến triển của những con quái thú của vũ trụ cũng như các thiên hà.

Hố đen tự quay nhanh nhất

Hố đen có thể tự quay với vận tốc đáng ngạc nhiên. Hố đen GRS 1915 +105, trong chòm sao Aquila cách Địa cầu khoảng 35.000 năm ánh sáng, quay hơn 950 lần mỗi giây. Bất kể thứ gì lọt vào mặt phẳng của hố đen có cách gọi khác là chân mây buổi lễ có thể quay với vận tốc 333 triệu mph, tức gần bằng một nửa vận tốc ánh sáng.

Mô phỏng hố đen

Các hố đen cách quá xa Trái Đất, khiến cho việc thu thập thông tin để khám phá huyền bí về chúng trở nên vô cùng khốn khó. Ngoài ra, các nhà tìm hiểu hiện đang tôn tạo lại các thuộc tính huyền bí của lỗ đen trên mặt bàn. Chẳng hạn, các hố đen có lực cuốn hút quá mạnh đến nỗi không gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra sau khoảng thời gian rơi xuống qua một biên thuỳ được gọi là chân mây buổi lễ. Các nhà khoa học đã tạo nên một chân mây buổi lễ nhân tạo trong phòng thử nghiệm bằng cách dùng sợi quang học. Họ cũng từng tôn tạo cái gọi là bức xạ Hawking để thoát khỏi lỗ đen.

2. Lịch sử

Sáng kiến về một vật thể khối lượng lớn làm cho ánh sáng chẳng thể thoát ra khỏi nó lần trước tiên nêu bởi John Michell trong một lá thư gửi tới Henry CavendishHội Hoàng tộc năm 1783: Nếu bán kính của một khối cầu với cùng khối lượng như Mặt Trời, bé hơn bán kính của Mặt Trời với tỉ lệ 500 trên 1, một vật rơi từ điểm xa vô cùng về phía nó sẽ nhận được tốc độ tại lúc chạm mặt phẳng khối cầu to hơn vận tốc ánh sáng; & giả sử là ánh sáng bị hút với cùng một lực tỉ lệ theo khối lượng quán tính, giống như những vật khác, mọi ánh sáng phát ra từ mặt phẳng của khối cầu sẽ quay trở lại nó do lực hút cuốn hút của khối cầu.

Năm 1796, Pierre-Simon Laplace cũng đặt ra ý niệm này trong ấn bản lần đầu tiên & thứ hai của quyển sách Exposition du système du Monde (nhưng nó đã bị bỏ đi trong những lần ấn bản sau). Những “ngôi sao” tối này sau đó bị bỏ quên vào thế kỷ 19, do chủ yếu các nhà vật lý cho là ánh sáng không có khối lượng & chẳng thể bị tác động bởi lực cuốn hút.

2.1. Thuyết tương đối rộng

Năm 1915, Albert Einstein hoàn thành thuyết tương đối rộng, mà trước đây ông đã tiên đoán được trường cuốn hút làm lệch đường đi của tia sáng. Chỉ hai tháng sau khoảng thời gian thông báo lý thuyết, nhà thiên văn học Karl Schwarzschild tìm ra nghiệm đúng đắn trước tiên cho phương trình trường Einstein, nghiệm diễn tả trường cuốn hút cho một khối lượng điểm hoặc khối cầu phân bố đều trong “hệ tọa độ cầu” bốn chiều. Vài tháng sau Schwarzschild, Johannes Droste, lúc này là sinh viên của Hendrik Lorentz, cũng độc lập đề ra nghiệm tương đương cho khối lượng điểm & khảo cứu thêm những thuộc tính của nghiệm này. Nghiệm này có một thuộc tính kỳ lạ mà ngày nay gọi là bán kính Schwarzschild, biên thuỳ mà tại đó không – thời gian diễn tả bởi tọa độ Schwarzschild trở lên gián đoạn, hay mặt biên này chia hệ tọa độ làm hai vùng biệt lập nhau; & lúc đó các nhà vật lý cho là phương trình trường Einstein không diễn tả tốt tại bán kính này. Họ đã không hiểu thấu đáo bản chất của mặt phẳng này khi đó. Năm 1924, Arthur Eddington minh chứng được bán kính này biệt tăm cũng như không thời gian sẽ vẫn liên tục nếu ông chọn một hệ tọa độ khác, cùng lúc độ cong không – thời gian tại bán kính Schwarzschild có giá trị hữu hạn vẫn không đổi giữa các hệ tọa độ. Mặc dầu phải đợi cho đến tận năm 1933, Georges Lemaître mới nhận thấy rằng điều này có nghĩa là kỳ dị tại bán kính Schwarzschild là một kỳ dị toán học vô nghĩa vật lý.

Năm 1931, Subrahmanyan Chandrasekhar sử dụng thuyết tương đối hẹp cho chất khí Fermi của vật thể không tự quay (hay ngày nay là sao lùn trắng cấu trúc bằng vật chất chống chọi bởi áp suất từ các electron) tính ra được nếu trên một khối lượng xấp xỉ 1,4 khối lượng Mặt Trời (ngày nay gọi là hạn chế Chandrasekhar) thì vật thể sẽ không tồn tại ổn định. Kết quả của ông bị một số nhà vật lý cùng thời phản đối như Eddington & Lev Landau, mà ông nghĩ rằng có một chính sách chưa biết làm dừng tiến trình suy sụp lại. Họ đã đúng một phần: sao lùn trắng có khối lượng hơi to hơn hạn chế Chandrasekhar sẽ suy sụp cuốn hút thành sao neutron, khi proton bị nén cuốn hút mạnh phối hợp với electron thành neutron, mà vật chất neutron có thể ổn định nhờ nguyên lý ngoại trừ Pauli. Nhưng vào năm 1939, Robert Oppenheimer cùng hai người khác minh chứng rằng, với ước tính chặt chẽ hơn sau này, nếu các sao neutron có khối lượng xấp xỉ trên 3 lần khối lượng Mặt Trời (hạn chế Tolman–Oppenheimer–Volkoff) thì chúng cũng chẳng thể tồn tại ổn định & lập tức suy sụp cuốn hút như Chandrasekhar từng tiên đoán, & họ tổng kết rằng không một định luật vật lý nào có thể ngăn cản những loại sao khối lượng lớn suy sụp cuốn hút.

Xem Thêm  Trái Đất là một hành tinh trong hệ Mặt Trời - Tuần 31

Oppenheimer & cộng sự giải thích kỳ dị tại bán kính Schwarzschild như là một bong bóng với thời gian ngừng lại tại biên này. Quan niệm này chỉ đúng với người xem xét đứng ở bên ngoài bán kính Schwarzschild, nhưng không đúng so với một người rơi qua biên & hướng về tâm lỗ đen. Bởi vì thuộc tính này, các nhà vật lý từng gọi người nổi tiếng suy sụp cuốn hút thành “ngôi sao bị đóng băng”, bởi vì xem xét viên đứng ở xa bên ngoài sẽ thấy hình ảnh của vật rơi vào lỗ đen như dừng lại tại phía ngoài sát biên thuỳ của bán kính Schwarzschild, & nếu vật có phát ra ánh sáng thì ánh sáng đó sẽ dần dần mờ đi rồi tắt hẳn, tuy thế so với vật thể rơi vào tâm lỗ đen nó sẽ chỉ mất một thời gian hữu hạn để đi ngang qua chân mây buổi lễ.

2.2. Giai đoạn vàng

Năm 1958, David Finkelstein diễn tả mặt phẳng Schwarzschild như một chân mây buổi lễ, “một màng tưởng tượng không phương hướng hoàn hảo: những ảnh hưởng nhân quả chỉ có thể đi qua mặt theo một hướng nhất định”. Đánh giá này không tranh chấp với kết quả của Oppenheimer & cộng sự, nhưng cho phép mở rộng chúng sang quan niệm của xem xét viên đang rơi vào trong lỗ đen. Hệ tọa độ của Finkelstein mở rộng nghiệm Schwarzschild diễn tả những người rơi vào lỗ đen sẽ thấy cấu tạo không thời gian thay đổi như vậy nào trong tiến trình rơi xuống. Martin Kruskal ngay sau đó đặt ra phương thức mở rộng đầy đủ hoàn toàn cho nghiệm này.

Những kết quả đó là sự bắt đầu cho “thời kỳ vàng của thuyết tương đối rộng”, do Kip Thorne đặt tên, đánh dấu thời điểm thuyết tương đối tổng quát & vật lý lỗ đen trở thành một trong những hướng tìm hiểu chính của vật lý học hiện đại. Trong thời gian này có thêm sự tìm hiểu ra pulsar năm 1967, mà sau đó vào năm 1969, Antony Hewish nêu ra đây là những sao neutron quay rất nhanh chóng quanh trục của chúng. Cho đến tận thời điểm đó, các nhà vật lý coi sao neutron, giống như lỗ đen, là những mẫu hình kỳ lạ của thuyết tương đối rộng; nhưng việc phát xuất hiện các pulsar có những thuộc tính vật lý liên quan đến mô hình lý thuyết cũng chứng tỏ những thiên thể đặc thú vị khác phải tạo dựng từ sự suy sụp cuốn hút.

Trong thời gian này, thêm một số nghiệm đúng đắn diễn tả lỗ đen được tìm thấy. Năm 1963, Roy Kerr tìm được nghiệm đúng đắn cho một lỗ đen đứng yên quay quanh trục của nó. Hai năm sau, Ezra Newman tổng quát hóa mêtric Kerr cho lỗ đen quay & đưa điện tích. & những tìm hiểu tiếp sau đó của Werner Israel, Brandon Carter, & David Robinson dần đem lại định lý lỗ đen “không có tóc”, phát biểu rằng nghiệm đúng đắn diễn tả lỗ đen đứng yên chỉ cần ba tham số trong mêtric Kerr–Newman; khối lượng, động lượng quay, & điện tích là đủ.

Ban đầu, các nhà vật lý cho là những đặc tính kì quái của các mêtric diễn tả lỗ đen là do cách lựa chọn các thuộc tính đối xứng trong tiến trình tìm đáp án cho phương trình trường Einstein, & vì thế miền kì dị hiện ra chỉ đưa tính nhân tạo & không đưa ý nghĩa vật lý trong mọi tình huống. Quan niệm này được các nhà vật lý Vladimir Belinsky, Isaak Khalatnikov, & Evgeny Lifshitz ủng hộ khi họ nỗ lực minh chứng không tồn tại các kì dị trong những tình huống nói chung. Ngoài ra, vào cuối những năm 1960 Roger Penrose & Stephen Hawking sử dụng kĩ năng toàn cục để minh chứng rằng mọi metric diễn tả lỗ đen đều hiện ra kì dị trong đó.

Những tìm hiểu của James Bardeen, Jacob Bekenstein, Carter, & Hawking trong đầu thập niên 1970 đã khai chào đời nghề nhiệt động lực học lỗ đen. Những định luật này diễn tả các thuộc tính của lỗ đen theo những đặc tính cũng giống như các định luật của nhiệt động lực học bởi liên hệ giữa khối lượng & năng lượng, diện tích chân mây buổi lễ với entropy, & cuốn hút mặt phẳng với nhiệt độ. Vào năm 1974, Hawking hoàn thành các liên hệ này khi minh chứng rằng lý thuyết trường lượng tử trong không thời gian cong tiên đoán các lỗ đen có phát ra các bức xạ – giống như vật đen ở nhiệt độ xác nhận phát ra bức xạ nhiệt – tỷ lệ với cuốn hút mặt phẳng của lỗ đen.

Thuật ngữ “lỗ đen” do nhà vật lý John Wheeler lần trước tiên nhắc tới trong một bài giảng năm 1967. Mặc dầu cộng đồng khoa học coi ông là người khai chào đời thuật ngữ này, nhưng ông luôn bảo rằng ông lấy cái tên này từ một người khác gợi ra sáng kiến cho ông. Trước đây, bài báo trước tiên sử dụng thuật ngữ lỗ đen trong nội dung “Black Holes in Space” của nhà báo Ann Ewing, đề ngày 18 tháng 1 năm 1964, đọc trong hội nghị của Hiệp hội Mỹ vì sự tiến triển khoa học AAAS. Sau thời điểm Wheeler thông dụng thuật ngữ này ra, nó lập tức được giới khoa học & công chúng sử dụng rộng rãi.

3. Các thuộc tính & cấu tạo

3.1. cấu tạo

Luồng hạt & bức xạ dài khoảng 5.000 ly chuyển động nhanh phát ra từ thiên hà M87 có nguồn gốc từ một lỗ đen quay khối lượng 6,6 tỷ lần khối lượng Mặt Trời tại tâm của thiên hà đó.

Định lý không có tóc phát biểu rằng, lúc đạt đến điều kiện ổn định sau khoảng thời gian tạo dựng, một lỗ đen đứng yên chỉ cần ba tham số vật lý độc lập để diễn tả nó: khối lượng, điện tích, & mô men động lượng. Bất kỳ hai lỗ đen nào mà có cùng những thuộc tính vật lý này, hay mỗi cặp ba tham số bằng nhau, thì chẳng thể phân biệt được với nhau theo cơ học cổ kính (hay là phi-lượng tử).

Những thuộc tính này đặc biệt vì một người đứng ở bên ngoài lỗ đen sẽ đo được ba tham số này. Chẳng hạn, một hố đen đưa điện tích sẽ đẩy những lỗ đen khác đưa điện tích cùng dấu khác giống như trong tĩnh điện học cổ kính. Tương đương, tổng khối lượng (theo nghĩa năng lượng + khối lượng), khối lượng ADM, bên trong lỗ đen có thể tìm được bằng cách dùng định luật Gauss cho cuốn hút hoặc xem xét quỹ đạo của các vật thể quay quanh nó. & so với mô men động lượng, một người ở xa có cơ thể định được thông qua hiệu ứng kéo hệ quy chiếu gây bởi sự tự quay của nó (trường cuốn hút từ).

Khi một vật rơi vào lỗ đen, bất kỳ thông tin nào về hình dạng, phân bố điện tích… của vật đó hoàn toàn biệt tăm so với xem xét viên đứng ở ngoài xa lỗ đen. Thuộc tính của chân mây buổi lễ trong tình huống này như một hệ tiêu tán tương đương với một màng hai chiều, trên đó hình dung tồn tại chất lỏngma sát đưa điện tích & dẫn điện, trong không – thời gian bốn chiều (hay mô hình màng về lỗ đen). Đặc tính này khác với các lý thuyết trường khác của vật lý học như trường điện từ cổ kính, mà chúng không có ma sát hay độ dẫn điện ở cấp vi mô, bởi vì chúng tuân theo đối xứng thời gian, trong lúc một vật rơi vào lỗ đen thì chẳng thể cất cánh trở ra được. Bởi vì tình trạng ổn định sau khoảng thời gian tạo dựng lỗ đen chỉ cần diễn tả bởi ba tham số, không có cách nào để tránh khỏi mất thông tin về những điều kiện ban đầu: trường cuốn hút & điện từ của lỗ đen cho rất ít thông tin về tình trạng trước khi tạo dựng nó & về những cái rơi vào nó. Chẳng hạn, một vệ tinh nhân tạo hình lập phương rơi vào lỗ đen thì tất cả chúng ta chỉ hiểu rằng, về nguyên lý, lỗ đen tăng thêm khối lượng bằng khối lượng vệ tinh còn chẳng thể hiểu rằng vệ tinh có hình lập phương hay hình trụ tròn. không dừng lại ở đó, có rất nhiều dạng thông tin vật lý bị mất, những đại lượng chẳng thể đo được bởi một người đứng ở xa bên ngoài chân mây buổi lễ, bao gồm các đại lượng tuân theo định luật bảo toàn, số lượng tử, số baryon & số lepton, số hạt đưa điện tích… Những điều này được phát biểu toán học cụ thể hơn ở nghịch lý thông tin bị mất trong lỗ đen.

3.2. Thuộc tính vật lý

Lỗ đen siêu khối lượng hút vật chất bao quanh nó & chùm tia năng lượng cao phóng ra do hệ lụy của lỗ đen quay quanh trục.

Loại lỗ đen dễ dàng đặc biệt là chỉ có khối lượng mà không có điện tích hay quay quanh trục của nó. Những lỗ đen này được diễn tả bằng mêtric Schwarzschild đưa tên Karl Schwarzschild, người đã tìm thấy đáp án đúng đắn cho phương trình của thuyết tương đối tổng quát năm 1916. Theo định lý Birkhoff, đây là nghiệm diễn tả không thời gian vùng chân không bên ngoài một khối vật chất có dạng đối xứng cầu. Điều này có nghĩa là không có sự độc đáo giữa trường cuốn hút của một lỗ đen với những vật thể khác với bán kính to hơn dạng cầu có cùng khối lượng. Hình ảnh thông dụng trong tri thức đại chúng về một lỗ đen này là nó hút mọi thứ xoay quang về phía chân mây buổi lễ của nó; xa bên ngoài lỗ đen, trường cuốn hút do lỗ đen làm cong không – thời gian quanh nó trở lên yếu đi & giống với trường cuốn hút của vật thể cầu cùng khối lượng.

Cũng có những nghiệm tổng quát hơn diễn tả gần với thực tiễn của lỗ đen. Lỗ đen dạng cầu đưa điện tích được diễn tả bởi mêtric Reissner–Nordström, tuy thế trong vũ trụ chủ yếu các lỗ đen là trung hòa về điện. Lỗ đen đứng yên & quay quanh trục diễn tả theo mêtric Kerr. Mô hình tổng quát nhất cho lỗ đen đứng yên, quay quanh trục & đưa điện tích này là mêtric Kerr–Newman, do Erza Newman tìm thấy.

Trong thuyết tương đối rộng, khối lượng lỗ đen có thể nhận một giá trị dương bất kỳ, nhưng giá trị điện tích & mô men động lượng bị hạn chế theo giá trị khối lượng của nó.

Do cường độ tương đối lớn của lực điện từ, các lỗ đen tạo dựng từ sự suy sụp cuốn hút của các sao sẽ trung hòa về điện. Cũng có lỗ đen sau khoảng thời gian tạo dựng chúng quay rất nhanh chóng quanh trục, một thuộc tính có thể suy ra từ định luật bảo toàn mô men động lượng.

Đến 2013, lỗ đen có khối lượng nhỏ nhất từng đo được là GRO J0422+32 với xấp xỉ 5 M, mặc dầu năm 2008 các nhà khoa học NASA thông báo phát hiện thiên thể XTE J1650-500 có khối lượng xấp xỉ 3,8 lần khối lượng Mặt Trời nhưng sau đó các kết quả thống kê lại chứng tỏ nó có khối lượng ít nhất 5-10 khối lượng Mặt Trời. Một số lỗ đen có khối lượng lớn nhất bao gồm: tại trọng tâm thiên hà NGC 1277, cách Trái Đất 220 x 106 ly với giá trị 17 x 109 M; hệ hai lỗ đen OJ 287 có khối lượng lần lượt 100 x 106 & 17 ~ 18 x 109 M nằm cách Trái Đất 3,5 x 109 ly; tại trọng tâm thiên hà NGC 4889 cách Trái Đất 308 x 106 ly với khối lượng 21 x 109 M (với độ bất định 6 ~ 37 x 109 M).

3.3. Chân mây buổi lễ

Mặt phẳng biểu kiến của lỗ đen được khái niệm tại chân mây buổi lễ (biên thuỳ trong không thời gian mà khi vượt mặt nó vật chất & bức xạ chỉ có thể đi về tâm lỗ đen). Không một thứ gì, ngay cả ánh sáng, có thể từ trong lỗ đen thoát ra ngoài chân mây buổi lễ. Chân mây buổi lễ được khái niệm như thế bởi vì so với những buổi lễ xảy ra bên trong nó, mọi thông tin của buổi lễ chẳng thể vượt ra ngoài để đến được một xem xét viên ở xa lỗ đen, làm cho người đó chẳng thể hiểu rằng bên trong nó là như vậy nào.

Thuyết tương đối tổng quát tiên đoán khối lượng làm uốn cong không thời gian làm cho quỹ đạo (hay đường trắc địa) của hạt hoặc của photon bị lệch hướng về phía khối lượng đó. Tại chân mây buổi lễ của lỗ đen, độ cong không thời gian trở nên rất lớn làm cho không một đường nào có thể đi ra khỏi lỗ đen.

So với một người ở rất xa, họ sẽ thấy những đồng hồ càng gần lỗ đen chạy chậm hơn đối với những đồng hồ nằm xa hơn. Do hiệu ứng này, gọi là sự giãn thời gian do cuốn hút, xem xét viên ở xa thấy một vật rơi vào lỗ đen hình như chuyển động chậm lại đi khi nó đến gần chân mây buổi lễ, & cần một thời gian vô hạn để đến tới chân mây này. Nếu như vật phát ra ánh sáng xanh, thì xem xét viên ở ngoài sẽ thấy ánh sáng càng đỏ hơn & mờ hơn khi vật tiến đến chân mây buổi lễ, một hiệu ứng mà các nhà vật lý gọi là chuyển dịch đỏ do cuốn hút. Tuy so với người ở xa cứ ngỡ như như vật đó rơi đến & đứng yên tại nơi gần biên thuỳ lỗ đen, nhưng so với vật thể nó chỉ cần thời gian hữu hạn để vượt mặt chân mây lỗ đen.

Hình dạng của chân mây buổi lễ lỗ đen luôn luôn có dạng xấp xỉ hình cầu. So với lỗ đen đứng yên không quay, biên thuỳ lỗ đen có dạng hình cầu. Nếu lỗ đen đứng yên & quay quanh trục thì nó có dạng hình phỏng cầu & theo các phương trình toán học nó có hai chân mây buổi lễ.

3.4. Vùng kì dị

Minh họa lỗ sâu đục.

Một đặc tính của thuyết tương đối tổng quát này là trong các nghiệm diễn tả lỗ đen, tại trọng tâm của nó có một vùng kì dị cuốn hút, nơi độ cong không thời gian có giá trị vô hạn (hay kì dị độ cong). So với lỗ đen không quay, vùng này chỉ là 1 điểm r = 0, & so với lỗ đen quay, vùng này tạo dựng lên vòng tròn kì dị nằm trong bề mặt của xích đạo lỗ đen. Trong cả hai trường hợp, vùng kì dị có thể tích bằng không. Các nhà vật lý cũng minh chứng được rằng vùng kì dị chứa toàn thể khối lượng của lỗ đen. Cho nên có thể coi vùng này có mật độ vật chất lớn vô hạn.

Cách gọi điểm kì dị hay vòng tròn kì dị cuốn hút chỉ là cái tên cho dễ thông dụng. Chúng thường được trình diễn trên không gian hai hay ba chiều nhằm dễ hình dung bằng trực giác. Còn thực tiễn vùng kì dị nằm trong không thời gian bốn chiều, & “điểm kì dị” cuốn hút không phải là điểm hình học Euclid như khái niệm của nó.

Một vệ tinh kích cỡ nhỏ đi vào lỗ đen Schwarzschild chẳng thể tránh khỏi chạm vào vùng kì dị một khi nó đã đi qua chân mây buổi lễ. Vệ tinh chỉ có thể làm chậm tiến trình rơi vào đến gần chân mây bằng cách dùng động cơ phản lực, nhưng khi vượt mặt nó thì chẳng thể cứu vãn được. Khi vệ tinh chạm tới điểm kì dị, toàn thể khối lượng của nó sẽ hòa lẫn vào mật độ khối lượng vô hạn của kì dị lỗ đen. Trước khi đến trọng tâm, vật thể sẽ trải qua ảnh hưởng của lực thủy triều lên cấu tạo & bị xé tan nát thành những mảnh vụn nhỏ.

Sự hiện ra không tránh khỏi của các vùng kì dị cuốn hút trong mêtric không thời gian của thuyết tương đối rộng ẩn ý lý thuyết chưa hoàn thành ở cấp vi mô. Ngoài ra, sự mất hiệu lực này có thể đáp ứng được khi tính tới tác động của cơ học lượng tử tại cấp độ vi mô, ở phạm vi mật độ vật chất là rất lớn & 4 tương tác căn bản giữa các hạt chẳng thể bỏ qua được. Cho tới thời điểm hiện tại, vẫn chưa có một lý thuyết nhất quán nào phối hợp hiệu quả giữa cơ học lượng tử & hiệu ứng cuốn hút thành một lý thuyết hoàn chỉnh, mặc dầu nhiều nhà vật lý đã đề ra các mô hình khác về một lý thuyết gọi chung là cuốn hút lượng tử. Họ cũng hi vọng rằng một khi có được lý thuyết này thì những vùng kì dị sẽ biệt tăm.

3.5. Mặt cầu photon

Mặt cầu photon là biên thuỳ hạn hình cầu mà những photon có tốc độ tiếp tuyến với nó sẽ bị bẫy trong một quỹ đạo tròn là đường tròn lớn của mặt cầu. So với lỗ đen không quay, mặt cầu photon có bán kính bằng 1,5 lần bán kính Schwarzschild. Trên lý thuyết, photon rơi vào những quỹ đạo này sẽ chuyển động mãi mãi trên đó. Ngoài ra, về mặt động lực, những quỹ đạo này không ổn định, vì thế bất kỳ một nhiễu loạn nhỏ nào (như các hạt photon tương tác với hạt khác trong tiến trình rơi vào lỗ đen) làm cho hạt hoặc có quỹ đạo hướng thoát ra ngoài hoặc bị hút về phía chân mây buổi lễ.

Bên trong mặt cầu photon, chẳng thể tồn tại quỹ đạo tròn cho photon. Nếu chiếu tia sáng ra bên ngoài thì nó vẫn có thể thoát khỏi tác động của lỗ đen, nhưng nếu chiếu ánh sáng về phía lỗ đen thì ánh sáng sẽ bị nó hấp thụ hoàn toàn. Cho nên nếu một xem xét viên thu được ánh sáng phát ra từ phía trong mặt cầu photon thì chắc cú nguồn sáng phải nằm bên trong mặt cầu này & vẫn ở phía ngoài chân mây của lỗ đen.

Mô phỏng hình ảnh nhìn từ xa của đĩa vật chất nằm rất gần lỗ đen với phần phía sau như bị nâng lên. Điều này do tác động của trường cuốn hút mạnh lên photon ánh sáng, mà thực tiễn đĩa này nằm đồng phẳng với bề mặt xích đạo lỗ đen.

Những sao đặc khác, như sao neutron, về mặt lý thuyết nếu nó đặc & bé hơn nữa, cũng sẽ có một mặt cầu photon bao quanh. Điều đó là do trong thuyết tương đối tổng quát, trường cuốn hút là dấu hiệu sự cong của không thời gian & không lệ thuộc bán kính của vật thể, vì thế bất kỳ một thiên thể nào có bán kính bé hơn 1,5 rS tính theo khối lượng của nó thì sẽ có một mặt cầu photon.

So với lỗ đen quay quanh trục diễn tả bởi mêtric Kerr, tồn tại hai quỹ đạo tròn hạn chế của photon đồng phẳng với bề mặt xích đạo lỗ đen & những quỹ đạo khác không đồng phẳng, không tròn cho phép photon chuyển động bán ổn định trên đó mặc dầu những quỹ đạo này cùng thuộc một mặt cầu-hay quỹ đạo cầu. So với lỗ đen Kerr, trên bề mặt xích đạo, một quỹ đạo tròn tương ứng với các photon chuyển động theo hướng cùng với chiều quay của lỗ đen & nằm gần lỗ đen hơn, còn vòng tròn kia tương ứng với photon chuyển động theo chiều trái lại & nằm ở xa lỗ đen.

Tuy những quỹ đạo của photon trên mặt cầu đó là không ổn định, chúng vô nghĩa vật nguyên nhân nó chỉ xác nhận ranh giới cuối cùng mà lỗ đen cho phép tia sáng chuyển động tròn quanh nó. Những mặt cầu & quỹ đạo photon này đóng vai trò trọng yếu trong việc tạo dựng hình ảnh quang học của những đĩa vật chất bồi tụ bao quanh lỗ đen.

3.6. Vùng sản công

Minh họa vùng sản công là hình cầu dẹt bao ngoài chân mây buổi lễ & hạn chế bởi mặt tĩnh.

Có một vùng không – thời gian bao quanh lỗ đen quay mà khi vật nằm trong vùng này nó chẳng thể đứng im được gọi là mặt cầu sản công (ergosphere). Kết quả đó là do tác động của hiệu ứng kéo hệ quy chiếu; thuyết tương đối tổng quát tiên đoán rằng một vật quay quanh trục sẽ “kéo” không thời gian gần kề vật đó. Chính vì thế bất kỳ vật nào nằm gần khối lượng quay sẽ khởi đầu chuyển động xoay quanh vật trọng tâm theo chiều quay của nó. So với lỗ đen quay quanh trục, hiệu ứng trở lên rất mạnh gần chân mây buổi lễ khiến ngay cả ánh sáng cũng chẳng thể chuyển động ngược với chiều quay của lỗ đen.

Vùng sản công của lỗ đen quay hạn chế bởi chân mây buổi lễ (ngoài) & bên trong một hình cầu dẹt tiếp xúc với chân mây buổi lễ tại hai cực (xem hình). Biên phía ngoài này đôi lúc có cách gọi khác là mặt sản công.

Các vật & bức xạ vẫn có thể thoát ra bên ngoài từ trong vùng sản công, chúng thoát ra theo hướng quay của lỗ đen đòi hỏi ít năng lượng hơn đối với thoát theo hướng trái lại. Thông qua chính sách Penrose, có thể thu năng lượng từ lỗ đen quay bằng cách gửi các vật từ xa bên ngoài vào vùng sản công. Khi vật ở trong vùng này thực hiện một cách nào đó tách nó ra làm hai vật, sao cho một vật rơi vào lỗ đen còn vật kia bắn ra khỏi vùng sản công. Penrose tính toán được khả năng vật bắn ra có năng lượng to hơn vật gửi vào. Năng lượng mang đi này làm lỗ đen quay chậm lại lại theo thời gian, & khi nó ngừng quay thì sẽ không tồn tại vùng sản công nữa.

3.7. Đi vào bên trong lỗ đen & du hành thời gian

Minh họa đi vào chân mây lỗ đen.

Mọi thứ rơi qua chân mây lỗ đen vào vùng kì dị đều bị phá hủy hoàn toàn. Nhưng giả sử có nhà du hành vũ trụ mạo hiểm khởi đầu tiến gần khảo sát một lỗ đen siêu khối lượng bằng con tàu của mình. Lúc ở xa, người đó & con tàu ở trong tình trạng không trọng lượng vì lực cuốn hút khá yếu, thể xác anh ta cũng không cảm thấy có lực kéo nào.

Xem Thêm  Văn minh Ai Cập cổ đại

So với lỗ đen càng lớn, lực thủy triều gần chân mây buổi lễ càng yếu hơn đối với lỗ đen bé hơn. Điều này cho phép con tàu có khả năng tiếp cận biên thuỳ lỗ đen. Giả sử nhà du hành ngồi lái với chân anh ta hướng về lỗ đen. Càng gần biên thuỳ, nhà du hành cảm thấy rõ rệt lực thủy triều ảnh hưởng lên phía chân mạnh hơn đối với phần đầu. Giả sử con tàu & nhà du hành chịu được áp lực & kéo; & đi qua chân mây buổi lễ lỗ đen. Trong con tàu, nơi hệ tọa độ là cục bộ, anh ta sẽ không biết lúc nào hay cảm nhận gì lúc con tàu đi qua mặt biên này (loại trừ lực thuỷ triều).

– Trong khi đi vào, nếu anh ta nhìn ngược ra phía ngoài vũ trụ, nhà du hành sẽ thấy các người nổi tiếng nằm lệch khỏi địa điểm của chúng, càng vào sâu thì các người nổi tiếng càng sáng hơn & nằm gần nhau hơn. Điều đó là do lỗ đen làm uốn cong không thời gian & hiệu ứng chuyển dịch đỏ do cuốn hút làm bước sóng tia sáng phát ra từ các người nổi tiếng bị hút về lỗ đen chuyển dịch về phía tím nhiều hơn. Khi đã đi qua chân mây, chỉ hết thời gian hữu hạn đo ở trong con tàu, anh ta cùng con tàu sẽ không tránh khỏi bị phá hủy bởi hiệu ứng thủy triều cực mạnh & hòa vào vùng kì dị của lỗ đen.

– Còn so với người ở ngoài xa lỗ đen, thông qua tín hiệu con tàu phát ra (hay hình ảnh của nó), họ sẽ thấy con tàu rơi chậm lại về phía chân mây buổi lễ. Tín hiệu thu được sẽ chuyển dần từ bước sóng ngắn sang bước sóng dài hơn hay chuyển dịch đỏ hơn. & hình như phải đợi rất lâu (hầu hết lâu vô hạn, đo bởi đồng hồ nằm rất xa lỗ đen) để thấy con tàu rơi qua biên thuỳ lỗ đen. Người ở xa thu được tín hiệu có bước sóng càng lúc càng dài, đến khi thiết bị của họ không còn khả năng nhận được bước sóng dài đó nữa thì coi như hình ảnh & tín hiệu con tàu đã biệt tăm.

Trong trường hợp của lỗ đen tích điện (Reissner–Nordström) hay lỗ đen quay quanh trục (Kerr), khi rơi vào chúng, về lý thuyết có thể tránh được vùng kì dị cuốn hút. Bằng cách mở rộng diễn tả toán học những nghiệm này lên mức tổng quát nhất có thể, các nhà vật lý nhận ra có khả năng một người đi vào những lỗ đen này sẽ thoát sang một vùng không thời gian khác, & hiện giờ lỗ đen trở thành một chiếc cổng nối hay là lỗ sâu đục. Ngoài ra xác suất để du hành sang một vũ trụ khác là rất thấp do chỉ cần một nhiễu loạn nhỏ trong lỗ đen sẽ ngay mau chóng phá hủy chiếc điểm kết nối này & thay vào đó người đó sẽ rơi trở lại vùng kì dị cuốn hút. Cũng có một khả năng cho phép du hành theo những cung đóng kiểu thời gian (hay là quay ngược trở lại dĩ vãng của chính nhà du hành) xoay quang vòng kì dị của lỗ đen Kerr, nhưng nó lại kéo theo những vấn đề lý do – kết quả như nghịch lý ông nội (người cháu có khả năng trở về dĩ vãng & hội ngộ ông nội của mình). Các nhà lý thuyết nghĩ rằng chẳng thể tồn tại những khả năng kì quái này một khi tính đến những hiệu ứng lượng tử cho lỗ đen đưa điện tích hoặc quay quanh trục.

Nếu như nhà du hành thay vì đi thẳng vào lỗ đen, anh ta lái con tàu quay quanh nó rất nhiều vòng thì hiệu ứng giãn thời gian do cuốn hút khiến cho thời gian trôi trong con tàu chậm hơn đối với thời gian đo bởi đồng hồ ở rất xa lỗ đen. Sau thời điểm quay đủ nhiều vòng, con tàu rời lỗ đen & trở về nơi khởi hành. Bây giờ nhà du hành có độ tuổi trẻ hơn nhiều đối với những người tại đây, & coi như anh ta đã du hành đến tương lai của bản thân.

3.8. Sự tạo dựng & tiến hóa

Với những thuộc tính kỳ lạ của lỗ đen như đã nêu, một thắc mắc tự nhiên hiện ra là những thiên thể kì lạ này có tồn tại trong tự nhiên hay chúng chỉ là những nghiệm toán học trong phương trình Einstein. Năm 1939, trong một bài báo của Einstein, ông nghĩ là lỗ đen không tạo dựng trong vũ trụ, với lập luận rằng mô men động lượng quay của các hạt trong tiến trình suy sụp giúp ổn định chúng tại một số bán kính khẳng định. Nhưng chỉ vài tháng sau, Oppenheimer & đồng nghiệp lần trước tiên nêu ra khả năng lỗ đen tạo dựng như vậy nào bằng thuyết tương đối tổng quát. Khi Schwarzschild tìm thấy nghiệm của ông, ban đầu các nhà vật lý cho là lỗ đen có thể tồn tại tuân theo các định luật vật lý. Sau đó, trong nhiều năm Einstein & cộng đồng vật lý lại nghĩ nó không tồn tại, chỉ có một số người mới nghiêm túc quan tâm đến thắc mắc về sự tồn tại của thực thể này & cho đến cuối thập niên 1950, họ đã minh chứng được chẳng thể có gì cản trở những người nổi tiếng khối lượng lớn suy sụp trở thành lỗ đen bao bởi chân mây buổi lễ.

Khi chân mây buổi lễ tạo dựng trong công đoạn suy sụp, Penrose minh chứng được là vùng kì dị cuốn hút cũng cần phải tạo dựng ở bên trong nó. Ngay sau đó, Hawking nêu ra rằng các mô hình diễn tả vũ trụ về thời điểm Vụ Nổ Lớn cũng hiện ra những kì dị cuốn hút mà không cần đến dạng vật chất lạ nào (xem định lý kì dị cuốn hút Penrose-Hawking). Mêtric Kerr, định lý “không có tóc” các định luật của nhiệt động học lỗ đen cho thấy các thuộc tính vật lý của lỗ đen là dễ dàng & có thể chớp lấy được, hiện giờ các thiên thể đặc từ những đối tượng lý thuyết trở thành nghề tìm hiểu của thiên văn vật lý. Công cuộc căn bản tạo dựng lỗ đen này là sự suy sụp cuốn hút của những thiên thể khối lượng lớn như các người nổi tiếng già…, nhưng cũng có những tiến trình khác kéo theo tạo dựng lỗ đen. Thông qua xem xét tại bước sóng vô tuyến, hồng ngoại & tia X…trên mặt đất hay từ các đài xem xét vệ tinh đã chứng tỏ là lỗ đen quả thực tồn tại trong vũ trụ.

3.9. Suy sụp cuốn hút

Mô phỏng tiến trình suy sụp cuốn hút hình vì thế lỗ đen khối lượng sao & sóng cuốn hút.

Minh họa vụ nổ siêu tân tinh từ sao khối lượng lớn tạo dựng lên lỗ đen.

Công đoạn suy sụp cuốn hút hiện ra khi áp suất trong lòng vật thể không còn đủ lớn để chống lại lực hút cuốn hút của chính nó. So với người nổi tiếng, tiến trình này hiện ra hoặc là do nó có quá ít “nhiên liệu” còn sót lại để duy trì nhiệt độ thông qua các phản ứng đo đạc hạt nhân sao, hoặc bởi vì người nổi tiếng nhận thêm vật chất từ môi trường hoặc từ sao gắn bó làm cho lực cuốn hút của nó to hơn áp suất trong lòng người nổi tiếng. Trong cả hai trường hợp, áp suất không đủ lớn để ngăn cản sự suy sụp cuốn hút dưới chính khối lượng của nó. Công cuộc suy sụp có thể dừng lại bởi “áp suất lượng tử” của các thành phần hạt vật chất trong người nổi tiếng, tạo dựng nên dạng vật chất với mật độ rất lớn trong nó. Kết quả này đem lại có một số kiểu sao đặc khác nhau. Kiểu sao đặc tạo dựng lệ thuộc vào khối lượng vật chất còn sót lại sao khi những lớp bên ngoài đã bị thổi cất cánh đi, như từ vụ nổ siêu tân tinh hoặc bởi gió sao thổi vật chất vào môi trường liên sao tạo ra tinh vân hành tinh. Cho nên khối lượng tàn dư thường bé hơn rất nhiều khối lượng của sao gốc – chẳng hạn những thiên thể tàn dư có khối lượng trên 5 lần khối lượng Mặt Trời tạo dựng từ những người nổi tiếng ban đầu có khối lượng trên 20 lần khối lượng Mặt Trời trước khi nó suy sụp cuốn hút.

Nếu khối lượng tàn dư vượt hơn 3-4 khối lượng Mặt Trời (hạn chế Tolman–Oppenheimer–Volkoff) – do bởi người nổi tiếng gốc có khối lượng rất lớn hoặc do bởi thiên thể tàn dư tích tụ thêm vật chất thông qua đĩa bồi tụ – thì ngay cả áp suất lượng tử của các hạt neutron (tuân theo nguyên lý ngoại trừ Pauli) là không đủ lớn để ngăn cản lực cuốn hút để tiến tới suy sụp cuốn hút. Không một chính sách nào khác (loại trừ khả năng áp suất gây bởi vật chất quark, xem sao quark) đủ mạnh để ngăn cản sự nổ vào bên trong & thiên thể đặc chẳng thể tránh khỏi tạo dựng lên lỗ đen.

Các nhà vật lý lý thuyết nghĩ rằng các lỗ đen khối lượng sao tạo dựng từ tiến trình suy sụp cuốn hút của các người nổi tiếng gốc khối lượng lớn. Sự tạo dựng sao trong khi vũ trụ còn sơ khai có thể kéo theo những người nổi tiếng có khối lượng rất lớn, với công đoạn cuối đời của chúng tạo nên những lỗ đen khối lượng cỡ ~102 khối lượng Mặt Trời. Những lỗ đen này có thể là mầm tạo dựng lên lỗ đen siêu khối lượng thường tìm ra tại trọng tâm của các thiên hà.

Trong lúc chủ yếu năng lượng giải phóng trong tiến trình suy sụp cuốn hút phát ra rất nhanh chóng, một người ở xa bên ngoài không thực sự chứng kiến tiến trình này chấm dứt. Ngay cả khi nó chỉ diễn ra trong một thời gian hữu hạn so với hệ quy chiếu của vật chất đang rơi suy sụp, xem xét viên ở xa sẽ thấy vật chất rơi về trọng tâm chậm lại & dừng lại ngay trước chân mây buổi lễ, do hiệu ứng “giãn thời gian do hấp dẫn”. Ánh sáng phát ra từ vật chất co sụp càng mất thời gian hơi lâu để đến được vùng bên ngoài, với ánh sáng phát ra ngay trước khi vật chất đi qua chân mây buổi lễ mất khoảng thời gian gần vô hạn để tới được xem xét viên. Cho nên, người này sẽ chẳng thể chứng kiến tạo dựng chân mây buổi lễ của lỗ đen. Vật chất suy sụp theo thời gian trở lên mờ hơn & bước sóng ánh sáng phát ra chuyển dịch về phía đỏ nhiều hơn & cuối cùng tàn lụi đi, không còn thứ ánh sáng nào nữa.

3.10. Lỗ đen nguyên thủy sau Vụ Nổ Lớn

Suy sụp cuốn hút đòi hỏi mật độ vật chất lớn. Trong kỷ nguyên hiện giờ của vũ trụ những mật độ cao này chỉ tồn tại trong các sao, nhưng vào lúc vũ trụ mới tạo dựng sau Vụ Nổ Lớn mật độ vật chất lúc đó rất cao, với khả năng cho phép tạo dựng các lỗ đen nguyên thủy. Nếu chỉ có mật độ cao không thôi thì chưa đủ để cho phép tạo dựng lỗ đen bởi vì sự phân bố khối lượng đồng đều không khiến vật chất tích tụ lại với nhau. Để những lỗ đen nguyên thủy tạo dựng trong môi trường sền sệt này, ban đầu cần phải có sự thăng giáng mật độ cho phép vật chất tích tụ lại với nhau nhờ lực cuốn hút. Các mô hình khác nhau về giai đoạn sơ khai của vũ trụ cho những tiên đoán khác nhau về mức độ thăng giáng này. Một số mô hình tiên đoán các lỗ đen nguyên thủy sẽ tạo dựng, từ cấp độ khối lượng Planck cho đến hàng trăm lần khối lượng Mặt Trời. Lỗ đen nguyên thủy có thể gia nhập vào tiến trình tạo dựng nên lỗ đen khối lượng trung gian & lỗ đen siêu khối lượng.

3.11. Tạo dựng từ các hạt va chạm năng lượng cao

Máy dò ATLAS của LHC.

Ngoài tiến trình suy sụp cuốn hút tạo dựng lên lỗ đen, về nguyên lý thì những va chạm hạt năng lượng cao trong các máy gia tốc cũng có thể tạo dựng lỗ đen khi đạt mật độ cho phép. Cho đến 2013, chưa một buổi lễ nào được công nhận, trực tiếp hay gián tiếp, một lỗ đen siêu nhỏ tạo dựng trong các máy gia tốc hạt.

3.12. Lớn mạnh & sáp nhập

Mô phỏng hai lỗ đen sáp nhập & phát ra sóng cuốn hút. Ảnh của NASA.

Hai lỗ đen trong hệ OJ 287.

Trong thời gian tồn tại của lỗ đen, nó có thể tăng thêm khối lượng bằng tiến trình hút vật chất từ không gian xoay quang vào. Nó sẽ liên tục hấp thụ khí & bụi liên sao từ môi trường xoay quang & cả bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Công cuộc hấp thụ khối lượng là một trong những tiến trình căn bản tạo dựng lên lỗ đen siêu khối lượng. & có thể tiến trình này cũng vận dụng cho các lỗ đen khối lượng trung gian nằm ở các cụm sao cầu.

Một chính sách khác này là lỗ đen sáp nhập với các thiên thể khác như sao hay chính lỗ đen. Công cuộc này vô cùng quan trọng vì nó đem lại khả năng giải phù hợp lý vì sao lại có những lỗ đen đồ sộ, mà chúng tạo dựng từ việc sáp nhập nhiều lỗ đen bé hơn. Các lỗ đen khối lượng đồ sộ toạ lạc tâm mỗi thiên hà có thể sáp nhập với nhau trong công đoạn hai thiên hà va chạm & sáp nhập, & tiến trình này có thể xảy ra so với lỗ đen khối lượng trung gian, như Omega Centauri.

Công cuộc lôi kéo vật chất về phía lỗ đen sẽ tạo dựng lên một đĩa sáng bồi tụ chứa vật chất tình trạng plasma nóng hàng triệu độ, & vùng này phát ra nguồn tia X rất mạnh. Chớp tia gamma nhận được từ các đài xem xét vệ tinh phát ra từ những nguồn ở rất xa cũng có thể giải thích từ tiến trình sáp nhập hai sao đặc hoặc bởi lỗ đen hút các sao đặc khác. Thông qua nguồn tia X mà các nhà thiên văn có thể nhận thấy ra sự tồn tại của lỗ đen.

Hai lỗ đen quay quanh nhau sẽ phát ra sóng cuốn hút đưa năng lượng của hệ đi. Do mất năng lượng, chúng sẽ có quỹ đạo càng gần nhau hơn, cuối cùng khi hòa nhập lại sẽ tạo dựng một lỗ đen khối lượng to hơn & quay rất nhanh chóng quay trục. Lỗ đen mới có thể bị đẩy ra khỏi vùng của hai lỗ đen ban đầu với tốc độ cỡ 400 km/s, & thậm chí sau thời gian dài nó có thể thoát khỏi thiên hà ban đầu.

3.13. Bốc hơi

Năm 1974, Hawking minh chứng rằng lỗ đen không hoàn toàn đen mà có phát ra một lượng nhỏ bức xạ nhiệt; một hiệu ứng mà ngày nay gọi là bức xạ Hawking. Bằng cách vận dụng lý thuyết trường lượng tử cho một lỗ đen đứng yên trong không thời gian, ông xác nhận được nó sẽ phát ra các hạt trong phổ bức xạ vật đen tuyệt đối. Từ sau bài báo của Hawking, nhiều người đã công nhận kết quả theo nhiều cách tiếp cận khác nhau. Nếu lý thuyết của Hawking về lỗ đen bức xạ là đúng, thì các lỗ đen sẽ giảm dần khối lượng & bốc hơi sau một thời gian bởi vì chúng mất khối lượng thông qua năng lượng của các hạt phát ra. Nhiệt độ của phổ bức xạ (nhiệt độ Hawking) tỷ lệ với giá trị cuốn hút mặt phẳng của lỗ đen, mà so với lỗ đen Schwarzschild, nhiệt độ tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó. Cho nên, các lỗ đen khối lượng lớn phát ra ít bức xạ hơn đối với lỗ đen khối lượng bé hơn.

Giả sử một lỗ đen có khối lượng bằng khối lượng Mặt Trời thì nó có nhiệt độ Hawking bằng 100 nanokelvin. Giá trị này bé hơn hẳn nhiệt độ 2,7 K của bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Thành ra lỗ đen khối lượng sao hay to hơn sẽ nhận thêm khối lượng từ bức xạ nền vũ trụ đối với lượng nhỏ bức xạ Hawking chúng phát ra, & vì thế chúng lớn lên thay vì nhỏ dần đi. Để có nhiệt độ Hawking to hơn 2,7 K (& cho phép bốc hơi), lỗ đen cần phải có khối lượng bé hơn khối lượng Mặt Trăng. Những lỗ đen này chỉ có đường kính nhỏ hơn 1/10 của milimét.

Lỗ đen càng nhỏ thì hiệu ứng bức xạ càng mạnh. Một lỗ đen có khối lượng bằng người bình bình sẽ ngay mau chóng bốc hơi. Lỗ đen khối lượng bằng chiếc ô tô có đường kính khoảng 10−24 m bốc hơi xấp xỉ sau 1 nano giây, lúc đó nó sẽ phát sáng gấp 200 lần độ sáng Mặt Trời. Lỗ đen bé hơn có thời gian bốc hơi ngắn hơn nữa; lỗ đen khối lượng 1 TeV/c2 chỉ cần ít hơn 10−88 giây để biệt tăm. So với những lỗ đen vi mô, các nhà khoa học kỳ vọng hiệu ứng cuốn hút lượng tử trở lên đáng kể—mặc dầu những tiến triển hiện giờ không cho thấy điều này—& trên lý thuyết cho phép những lỗ đen vi mô có thể tồn tại ổn định. Tuy lỗ đen có thể bốc hơi theo lý thuyết, nhưng nó chẳng thể tách thành hai lỗ đen bé hơn, lỗ đen chỉ có thể sáp nhập với nhau.

3.14. Xem xét

Theo thuộc tính của lỗ đen, nó không trực tiếp phát ra bất kỳ một tín hiệu nào ngoài giả định bức xạ Hawking; do trong phạm vi thiên văn vật lý bức xạ Hawking là rất yếu, vì thế chẳng thể xem xét thấy bức xạ này từ Trái Đất. Trường hợp ngoại lệ cho bức xạ Hawking này là công đoạn cuối cùng của những lỗ đen nguyên thủy bốc hơi phát ra nó; mặc dầu chưa tìm kiếm thành công & điều này đưa ra hạn chế cho khả năng tồn tại bức xạ này từ những lỗ đen nguyên thủy. Kính thiên văn không gian tia gamma Fermi của NASA phóng lên 2008 với một trong những mục đích của nó là thu thập những tín hiệu này.

Xem xét thiên văn vật lý về lỗ đen phải dựa vào những xem xét gián tiếp. Sự tồn tại của lỗ đen có thể suy ra từ các tác động cuốn hút của nó với môi trường xoay quang. Một trong số những cuộc thăm dò này là dự án “Kính thiên văn Chân trời sự kiện” cộng tác giữa các tổ chức quốc tế đang phấn đấu lần trước tiên xem xét trực tiếp được vùng bao quanh chân mây buổi lễ của lỗ đen.

3.15. Đĩa bồi tụ vật chất

Mô phỏng laptop một lỗ đen hút vật chất từ người nổi tiếng. Chấm xanh là địa điểm của lỗ đen.

Nguồn tia X siêu sáng (chấm lớn phía trên bên trái) phát ra khi lỗ đen phá hủy một sao lùn trắng. Ảnh của kính thiên văn tia X Chandra.

Theo định luật bảo toàn mô men động lượng, khí & bụi rơi vào “giếng hấp dẫn” của vật thể lớn sẽ tạo dựng lên cấu tạo dạng đĩa chứa plasma bao quanh vật thể. Plasma tiếp xúc ma sát với nhau do mô men động lượng truyền từ bên ngoài vào, kéo theo giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ & làm tăng nhiệt độ của đĩa bồi tụ lên hàng triệu độ. Nguồn bức xạ sóng ngắn phát ra từ vùng bồi tụ của sao lùn trắng, sao neutron hoặc lỗ đen cho phép các kính thiên văn phát xuất hiện nguồn này. Công cuộc bồi tụ là một trong những tiến trình sản sinh năng lượng hiệu quả nhất từng được biết; tới khoảng 40% khối lượng nghỉ của vật chất trong đĩa bị thay đổi thành dạng năng lượng bức xạ. (ở các phản ứng đo đạc hạt nhân chỉ khoảng 0,7% khối lượng nghỉ giải phóng dưới dạng năng lượng bức xạ.) Trong nhiều trường hợp, đĩa bồi tụ thường đi kèm với chùm tia tương đối tính phát ra dọc hai cực của thiên thể đặc, đưa theo năng lượng với các hạt có tốc độ rất lớn. Các nhà vật lý vẫn chưa hiểu thực sự chính sách tạo dựng những tia này.

Một trong những chính sách lý giải tạo dựng các tia phát ra từ hai cực lỗ đen này là do sự phối hợp giữa vùng sản công & từ trường lỗ đen ảnh hưởng lên các hạt vật chất rơi về lỗ đen, một số rơi qua chân mây buổi lễ, một số vật chất bắn ngược ra bên ngoài tạo ra hai tia đối cực.

Nhiều hiện tượng năng lượng cao trong vũ trụ có nguồn gốc từ đĩa bồi tụ vật chất quanh lỗ đen. Đặc biệt, nhân thiên hà hoạt động hoặc quasar được nghĩ rằng do bức xạ phát ra từ đĩa vật chất bao quanh lỗ đen siêu khối lượng. Tương đương, nguồn tia X trong những hệ sao đôi bắt đầu từ một trong hai thiên thể là sao đặc với đĩa bồi tụ. Một số nguồn tia X siêu sáng có thể là các vùng bồi tụ quanh lỗ đen khối lượng trung gian. Do hiệu ứng lực thủy triều, nhiệt độ trong các đĩa bồi tụ của lỗ đen khối lượng sao to hơn nhiệt độ của đĩa bồi tụ ở lỗ đen siêu khối lượng. Phổ bức xạ mạnh nhất phát ra từ vùng bồi tụ của lỗ đen siêu đồ sộ là miền tử ngoại, trong lúc so với các lỗ đen khối lượng sao là miền tia X. Nhưng mà, độ sáng phát ra từ vùng gần kề quanh lỗ đen siêu khối lượng lại sáng hơn hàng trăm nghìn tỷ lần Mặt Trời, trong lúc so với lỗ đen khối lượng sao là hàng triệu lần độ sáng Mặt Trời.

3.16 Nguồn tia X trong hệ sao đôi

Minh họa mô hình căn bản nhằm xác nhận vận tốc quay của lỗ đen. Ảnh của NuStar – NASA.

Nguồn tia X trong hệ sao đôi thuộc về hệ thống sao đôi với năng lượng phát ra chủ đạo trong phổ của tia X. Đa số những nguồn đó là do một trong những sao đặc bồi tụ vật chất lấy từ sao gắn bó trong hệ. Sự có mặt của những người nổi tiếng gắn bó trong các hệ này cho phép các nhà thiên văn có thời dịp tìm hiểu cụ thể thiên thể đặc trọng tâm & có thể là lỗ đen.

Nếu tín hiệu phát ra thuộc về thiên thể đặc (bỏ qua tín hiệu thuộc về vùng bồi tụ), thì thiên thể này chẳng thể là lỗ đen. Ngoài ra, nếu thiên thể đặc không phát ra tín hiệu nào, thì vẫn chưa thể ngoại trừ khả năng nó là một sao neutron. Bằng cách tìm hiểu sao gắn bó cho phép đo & tính ra các tham số quỹ đạo của hệ, từ đó các nhà thiên văn có thể tính ra khối lượng của thiên thể đặc. Nếu giá trị này to hơn hạn chế Tolman–Oppenheimer–Volkoff (khối lượng lớn nhất mà một sao neutron có thể đạt được sau công đoạn suy sụp cuốn hút) thì vật thể đặc chẳng thể là sao neutron mà xác suất cao này là một lỗ đen.

Xem Thêm  C.ty T.Kế Kiến trúc & Xây dựng Không Gian Việt

Minh họa xung nhịp tia X của hai thiên thể GRS 1915 & IGR J17091, các lỗ đen đang hút khí từ các sao gắn bó.

Khả năng thuyết phục mạnh trước tiên về một lỗ đen tồn tại, Cygnus X-1, do nhà thiên văn Charles Thomas Bolton, Louise Webster & Paul Murdin phát hiện nhờ vào phương thức này năm 1972. Ngoài ra, ban đầu có những sai số trong kết quả đo & khối lượng của sao gắn bó có giá trị tương đối lớn. Hiện thời, nhiều ứng cử viên là lỗ đen được tìm ra trong lớp các hệ sao đôi tia X gọi là nguồn chuyển tiếp tia X năng lượng thấp (soft X-ray transients). Trong lớp này, khối lượng của sao gắn bó khá thấp cho phép ước lượng đúng đắn hơn khối lượng của lỗ đen. Hơn nữa, mỗi lần tia X phát ra từ những hệ này chỉ có thời gian trong vài tháng với khoảng chu kỳ 10–50 năm. Trong thời gian nguồn tia X ngừng phát hoặc yếu, vùng bồi tụ trở lên rất mờ cho phép thực hiện xem xét cụ thể về sao gắn bó. Một trong những hệ như vậy là V404 Cyg.

3.17 Thời gian ngừng hoạt động

Sự mờ nhạt của đĩa trong thời gian nó ngừng hoạt động có thể là lý do luồng vật chất ở vào công đoạn lạnh đi (ADAF). Trong công đoạn này, hầu hết năng lượng của plasma trong đĩa bị giam cầm xuôi theo luồng hạt hơn là phát ra theo mọi phía. Nếu mô hình đó là đúng, thì đây là một trong những chứng cớ thử nghiệm chứng tỏ tồn tại chân mây buổi lễ. Bởi vì, nếu vật thể ở trọng tâm của đĩa bồi tụ có mặt phẳng rắn, nó sẽ phát ra một lượng lớn bức xạ năng lượng cao khi khí & plasma va đập xuống mặt phẳng của nó, một hiệu ứng đã được xem xét ở sao neutron trong cùng tình trạng này. (xem mô phỏng nguồn tia X của hai lỗ đen GRS 1915 & IGR J17091 về khoảng thời gian ngừng phát tia X.)

3.18. Dao động gần tuần hoàn

Hai luồng tia & hạt tốc độ lớn bắn ra từ thiên hà Centaurus A. Ảnh của ESO.

Bức xạ tia X từ đĩa bồi tụ đôi lúc lặp lại theo những khoảng gần điều độ trong phổ nhận được. Những tín hiệu này được gọi là dao động gần tuần hoàn & khả năng chúng phát ra từ vùng trong cùng của đĩa bồi tụ (nơi quỹ đạo tròn ổn định của hạt có bán kính nhỏ nhất – quỹ đạo này trong lỗ đen Schwarzschild có giá trị 3rS, to hơn quỹ đạo của photon). Những tần số tia X này có liên hệ với khối lượng của thiên thể đặc & là phương thức khác để xác nhận khối lượng của lỗ đen. (xem mô phỏng nguồn tia X của hai lỗ đen GRS 1915 & IGR J17091 về sự lặp lại gần tuần hoàn của cường độ tia X.)

3.19. Nhân thiên hà

Các nhà thiên văn học sử dụng thuật ngữ “thiên hà hoạt động” để diễn tả các thiên hà với những đặc thù khác lạ, như vạch quang phổ phát xạ dị thường hay bức xạ vô tuyến mạnh. Những tìm hiểu lý thuyết & xem xét cho thấy sự hoạt động trong các nhân thiên hà có thể giải thích bởi tồn tại các lỗ đen siêu khối lượng. Các mô hình về nhân thiên hà hoạt động (AGN) bao gồm một lỗ đen trọng tâm với khối lượng vài triệu đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời; một đĩa bồi tụ gồm khí & bụi liên sao bao quanh; & hai luồng tia tương đối tính phóng ra gần vuông góc với bề mặt đĩa.

Các nhà thiên văn nghĩ rằng các lỗ đen đồ sộ sẽ được tìm ra tại trọng tâm thiên hà hoạt động, mặc dầu chỉ một số nhân thiên hà đã được tìm hiểu kỹ càng nhằm phát hiện & thống kê khối lượng của lỗ đen nằm ở trọng tâm. Những thiên hà nổi trội với khả năng chứa lỗ đen siêu khối lượng bao gồm thiên hà Andromeda, M32, M87, NGC 3115, NGC 3377, NGC 4258, NGC 4889, NGC 1277, OJ 287, APM08279+5255 & thiên hà Sombrero.

Ngày nay, phần đông cộng đồng thiên văn học đều thừa nhận rằng không những tại các thiên hà hoạt động, mà chủ yếu các thiên hà lớn đều chứa ít nhất một lỗ đen siêu khối lượng. Có một mối liên hệ trong thử nghiệm giữa khối lượng của lỗ đen & tốc độ quay của chỗ phình thiên hà chứa nó, hay liên hệ M-sigma, cho biết mối liên hệ giữa sự tạo dựng của lỗ đen cũng như khối lượng của chúng với tiến trình tiến hóa thiên hà.

 

Mô phỏng lỗ đen tại trọng tâm Ngân Hà hút đám khí quay quanh nó.

Hiện thời, có những chứng cớ thuyết phục về một lỗ đen đồ sộ tại trọng tâm của Ngân Hà, thông qua việc tìm hiểu chuyển động riêng của các người nổi tiếng quanh vùng này. Từ năm 1995, các nhà thiên văn thực hiện theo dõi chuyển động của 90 sao trong một vùng gọi là Sagittarius A*. Bằng cách làm khớp số liệu xem xét với các tham số của quỹ đạo Kepler, họ tổng kết vào năm 1998 rằng cần phải có vật thể khối lượng 2,6 x 106 M nằm trong vùng bán kính 0,02 ly. Sau thời điểm một người nổi tiếng gọi là S2 giải quyết xong một vòng quỹ đạo, những dữ liệu nhận được cho phép các nhà khoa học ước tính khối lượng & phạm vi đúng đắn hơn của vật trọng tâm ở Sagittarius A*. Họ đã tính ra có một thiên thể khối lượng 4,3 x 106 M nằm trong bán kính bé hơn 0,002 ly. Mặc dầu bán kính này vẫn to hơn 3.000 lần bán kính Schwarzschild của lỗ đen cùng khối lượng, nhưng theo thuyết tương đối tổng quát, những thiên thể có khối lượng lớn như thế phải là một lỗ đen, & “không có một cụm sao nào có thể tập trung khối lượng lớn như vậy trong một vùng rất nhỏ”. (khoảng cách từ Mặt Trời đến sao gần nhất Proxima Centauri là 4,24 ly.)

3.20. Chớp tia gamma

Chớp gamma GRB 110328A trong bước sóng khả kiến. Ảnh của Hubble

Chớp tia gamma là một trong những nguồn tia gamma đưa năng lượng lớn nhất trong vũ trụ phát ra từ các thiên hà ở xa. Chính sách giải thích cho những nguồn này có thể bắt đầu từ sự sáp nhập của hai sao neutron, bởi lỗ đen hút sao đặc gắn bó hay bởi vùng bồi tụ quanh lỗ đen, hoặc từ sự suy sụp cuốn hút của sao có khối lượng rất lớn trong vụ nổ siêu tân tinh.

Hầu hết các chớp có thời gian ghi thu được to hơn khoảng 2 giây & phân loại vào nhóm chớp tia gamma kéo dài, & khoảng 30% các xem xét là những chớp diễn ra ngắn hơn 2 giây hay chớp tia gamma ngắn. Chớp tia gamma kéo dài có nguồn gốc từ tiến trình suy sụp cuốn hút của sao khối lượng rất lớn, như các sao đồ sộ xanh trong các vùng sản sinh sao. Đặc biệt, một trong những chớp gamma có năng lượng lớn nhất, GRB 110328A, kéo dài tới hàng tháng nằm ở một thiên hà cách xa 3,8 tỷ năm ánh sáng có thể là do một lỗ đen siêu khối lượng xé tan & hấp thụ dần một sao lùn trắng quay gần nó.

Dựa trên thuộc tính của chớp gamma như thời gian xảy ra, năng lượng phát ra & biểu đồ cường độ nhận được mà có thể suy đoán ra nguồn gốc những chớp này từ những chùm tia tương đối tính phát ra từ lỗ đen, hay từ tiến trình tạo dựng lên lỗ đen hoặc sự sáp nhập từ hai sao neutron.

3.21. Hiệu ứng của trường cuốn hút mạnh

Mô phỏng lỗ đen bẻ cong ánh sáng phát ra từ Ngân Hà ở phía sau nó. Tham khảo thêm tại đây.

Một thuộc tính khác của lỗ đen đối với các thiên thể đặc cho phép phát hiện sự tồn tại của nó, này là hiệu ứng của trường cuốn hút ảnh hưởng mạnh hơn lên không thời gian bao quanh nó. Một trong những hiệu ứng đó là thấu kính cuốn hút: Một vật thể lớn uốn cong không thời gian bao quanh nó làm cho các tia sáng bị lệch đường đi giống như ảnh hưởng của các thấu kính quang học. Hiện thời đã có một số dự án thăm dò phát hiện hiệu ứng thấu kính cuốn hút yếu, trong đó tia sáng chỉ bị lệch vài giây cung. Nhưng mà, cho đến nay chưa thể chụp hình được trực tiếp hiệu ứng này so với lỗ đen. Một cách khác để xem xét hiệu ứng thấu kính cuốn hút là thông qua ánh sáng phát ra từ những người nổi tiếng quay quanh lỗ đen. Hiện tại các nhà thiên văn đang thực hiện xem xét thuộc tính này so với các sao quay trong vùng Sagittarius A*, mặc dầu hiệu ứng là rất nhỏ.

Mẹo quan trắc trực tiếp khác này là phát hiện sóng cuốn hút phát ra từ hệ chứa lỗ đen, chẳng hạn như các thiên thể đặc quay quanh nó & cuối cùng bị hút về phía lỗ đen. Bằng cách làm thích hợp dữ liệu quan trắc đối với tiên đoán của thuyết tương đối tổng quát cho phép tính ra đúng đắn khối lượng & mô men động lượng của vật thể trọng tâm, cũng như thực hiện cùng lúc việc kiểm nghiệm thuyết tương đối rộng trong trường cuốn hút mạnh. Sóng cuốn hút đã được đo trực tiếp phát ra từ hệ hai lỗ đen khối lượng sao do đài quan trắc LIGO nhận được vào ngày 14 tháng 9 năm 2015. Nhóm Cộng tác Khoa học LIGO đã không tìm ra sự sai khác trong phạm vi sai số tổng hợp giữa những tiên đoán của thuyết tương đối rộng & kết quả đo được từ buổi lễ GW 150914. ESA đang có kế sách xây dựng ăng ten giao thoa kế eLISA trên vũ trụ nhằm phát hiện trực tiếp sóng cuốn hút ở những tần số thấp hơn đối với các thiết bị mặt đất…

3.22. Khả năng khác

Tổng kết tồn tại lỗ đen khối lượng sao dựa vào tính toán lý thuyết về hạn chế trên của khối lượng sao neutron. Giá trị đó lại lệ thuộc vào giả thuyết về thuộc tính của vật chất trong tình trạng mật độ cao. Cho nên, những pha mới ngoại lai của vật chất cho phép khối lượng hạn chế cao hơn ở các sao đặc. Một trong số đó gồm sao quark với lõi chứa các hạt quark “tự do” ở mật độ rất cao, hay các mô hình siêu đối xứng trong vật lý hạt tiên đoán sự tồn tại của loại sao Q. Một số lý thuyết mở rộng của Mô hình chuẩn với giả sử các hạt preon cấu thành lên hạt quark & lepton, & kéo theo giả thuyết tồn tại sao preon với khối lượng cao hơn hẳn sao neutron. Những mô hình này có khả năng giải thích thay thế cho lỗ đen khối lượng sao ở một số quan trắc về các thiên thể đặc trong vũ trụ. Ngoài ra, theo minh chứng từ thuyết tương đối rộng thì loại sao nào cũng có hạn chế khối lượng trên, & chính vì vậy các mô hình đều dẫn tới sự tạo dựng lỗ đen.

Vì mật độ bình quân khối lượng của lỗ đen bên trong bán kính Schwarzschild tỉ lệ nghịch với bình phương khối lượng của nó, các lỗ đen siêu đồ sộ có mật độ bình quân bé hơn của lỗ đen khối lượng sao (mật độ bình quân của lỗ đen cỡ 108 M gần bằng khối lượng riêng của nước). Hệ lụy là, có những mô hình thay thế khác được đề ra, mặc dầu mô hình lỗ đen siêu khối lượng thích hợp gần với các xem xét thiên văn vật lý. Chẳng hạn, một khối lượng lớn chăm chú trong vùng không gian nhỏ được giải thích bằng việc mô hình hóa một đám lớn các vật thể tối chăm chú quanh nhau. Ngoài ra, mô hình này không ổn định về mặt động lực học để thay thế cho khả năng vùng đó chứa một lỗ đen siêu khối lượng.

Sự tồn tại của các lỗ đen khối lượng sao & đồ sộ trong vũ trụ ẩn ý thuyết tương đối tổng quát không diễn tả tốt tình trạng & bản chất của kì dị cuốn hút trong lỗ đen, & có vẻ do lý thuyết lỗ đen chưa phối hợp được với thuộc tính của cơ học lượng tử. Lý thuyết về cuốn hút lượng tử có thể sẽ loại bỏ được những vùng kì dị hay chân mây buổi lễ & vì thế theo khái niệm sẽ không có lỗ đen nữa. Dựa vào tính toán trong những tình huống rõ ràng và cụ thể của lý thuyết dây, cho kết quả lỗ đen đơn lẻ không còn chứa biên chân mây hay kì dị cuốn hút, nhưng so với xem xét viên thuộc diễn tả của vật lý phi lượng tử, trên bình quân, họ vẫn trông thấy những thuộc tính này giống như trong diễn tả của thuyết tương đối rộng.

3.23. Những vấn đề lý thuyết

Ngoài một số mục tiêu như diễn tả vùng kì dị cuốn hút bằng thuyết cuốn hút lượng tử cũng như minh chứng hay bác bỏ giả thuyết kiểm duyệt vũ trụ của Penrose, có những vấn đề lý thuyết liên quan đến lỗ đen như sau.

– Phỏng đoán vòng

Năm 1972, Thorne đặt ra phỏng đoán vòng (hoop conjecture), rằng khi nén một vật xuống kích thước bé hơn một chu vi hạn chế theo mọi hướng thì nó sẽ tạo dựng lên lỗ đen. Chu vi hạn chế này thường là vòng tròn có bán kính Schwarzschild liên hệ với khối lượng của vật. Chẳng hạn, “nếu nén được” Trái Đất thành khối cầu có bán kính bé hơn 9 mm thì nó sẽ trở thành lỗ đen.

Phỏng đoán vòng có một số góc cạnh khi xét vật thể trong không gian nhiều chiều & có khả năng liên quan đến phỏng đoán kiểm duyệt vũ trụ về kì dị cuốn hút trần trụi cũng như tiến trình tạo dựng lỗ đen vi mô.

– Entropy & nhiệt động học[sửa | sửa mã nguồn]

Năm 1971, Hawking minh chứng dưới những điều kiện chung tổng diện tích của chân mây buổi lễ của bất kỳ một lỗ đen cổ kính nào chẳng thể giảm, ngay cả khi chúng sáp nhập hoặc va chạm. Kết quả này, ngày nay gọi là định luật 2 của cơ học lỗ đen, rất giống với định luật hai của nhiệt động lực học, bảo rằng tổng entropy của một hệ không lúc nào giảm. & như một vật thể trong vật lý cổ kính tại độ không tuyệt đối, tương ứng với lỗ đen có entropy bằng 0. Nếu có một lỗ đen mà entropy bằng 0, định luật hai của nhiệt động lực học sẽ bị vi phạm khi vật chất có entropy từ bên ngoài rơi vào lỗ đen này, làm cho tổng entropy của toàn thể vũ trụ giảm đi. Cho nên, Bekenstein đề nghị lỗ đen cần phải có entropy – cũng như nhiệt độ khác 0, & giá trị này tỷ lệ với diện tích chân mây buổi lễ.

Sự link với nhiệt động học được củng cố thêm khi Hawking tìm hiểu ra lý thuyết trường lượng tử trong không thời gian cong tiên đoán lỗ đen phát ra bức xạ tại nhiệt độ khẳng định giống như bức xạ của vật đen tuyệt đối. Hình như điều này vi phạm định luật hai của cơ học lỗ đen, bởi vì bức xạ Hawking sẽ đưa năng lượng của lỗ đen đi & làm cho lỗ đen giảm khối lượng, kéo theo giảm entropy. Ngoài ra, bức xạ cũng đưa entropy ra khỏi lỗ đen, & có thể minh chứng dưới những giả sử tổng quát rằng tổng entropy của vật chất bao quanh lỗ đen cộng với 1/4 diện tích chân mây buổi lễ – đo theo nhà cung cấp Planck – luôn luôn tăng (phải cộng cả vật chất bao quanh lỗ đen bởi vì bức xạ Hawking hiện ra khi cặp hạt vật chất – phản vật chất chào đời trong chân không, hạt phản vật chất rơi vào lỗ đen còn hạt vật chất thoát ra ngoài dưới dạng bức xạ). Điều này cho phép seting ra định luật đầu tiên của cơ học lỗ đen cũng giống như định luật đầu tiên của nhiệt động lực học, với khối lượng có vai trò như năng lượng, cuốn hút mặt phẳng như nhiệt độ & diện tích như entropy.

Một trong những đặc tính khác thường này là entropy của lỗ đen tỷ lệ với diện tích hơn là thể tích của nó, do thông thường entropy là một đại lượng mở rộng tỷ lệ tuyến tính với thể tích của hệ. Thuộc tính kỳ lạ này mang Gerard ‘t Hooft & Leonard Susskind kéo theo giả thuyết về nguyên lý toàn ảnh, bảo rằng bất kể điều gì xảy ra bên trong không thời gian bao bởi vùng thể tích có thể được diễn tả bằng dữ liệu trên biên của thể tích đó.[178]

Mặc dầu có thể vận dụng thuyết tương đối rộng trong tính toán bán cổ kính về entropy của lỗ đen, nhưng nó lại đem đến khái niệm không chặt chẽ. Trong cơ học tổng hợp, entropy được hiểu là đếm số cấu hình vi mô của một hệ có cùng những đại lượng vĩ mô (như khối lượng, điện tích, áp suất, vv.). Một khi chưa có lý thuyết cuốn hút lượng tử, các nhà vật lý chẳng thể thực hiện những phép đếm này cho lỗ đen. Một số cách giải quyết đã được đề ra trên đoạn đường họ đi đến cuốn hút lượng tử. Năm 1995, Andrew Strominger & Cumrun Vafa minh chứng từ cách đếm các tình trạng vi mô của một lỗ đen rõ ràng và cụ thể diễn tả bởi mô hình siêu đối xứng trong thuyết dây cho phép tính ra entropy Bekenstein–Hawking. Từ đó, các nhà vật lý lý thuyết đề ra một vài kết quả tương đương cho những lỗ đen khác nhau trong cả thuyết dây lẫn những thuyết khác về cuốn hút lượng tử như cuốn hút lượng tử vòng nhằm giải quyết khái niệm entropy cho lỗ đen.

– Nghịch lí thông tin bị mất

Bởi vì chỉ cần ba tham số đủ để diễn tả lỗ đen phi lượng tử, đa phần thông tin về vật chất rơi vào lỗ đen đều biệt tăm dưới chân mây buổi lễ. Người ở bên ngoài chẳng thể biết nó tạo dựng từ những người nổi tiếng hay từ tàu không gian, bàn ghế, laptop, ti vi…, bởi người đó chỉ đo được khối lượng, điện tích & mô men động lượng của lỗ đen. Trong một thời gian dài, các nhà vật lý nghĩ rằng lỗ đen làm mất thông tin, mặc dầu thông tin có thể tồn tại bên trong lỗ đen nhưng người ngoài chẳng thể hiểu rằng trong đó có gì. Ngoài ra, theo lý thuyết thì lỗ đen dần dần phát ra bức xạ Hawking & sau một thời gian rất lâu nó bốc hơi (so với các lỗ đen vĩ mô). Sự bốc hơi này hình như không giải thoát ra bất kỳ thông tin gì về những thứ tạo dựng lên & đã rơi vào lỗ đen, có nghĩa là về nguyên lý thông tin bị mất mãi mãi.

Trong thời gian dài, thắc mắc liệu thông tin có thực sự bị mất trong lỗ đen (nghịch lý thông tin bị mất bởi lỗ đen) đã chia cộng đồng các nhà lý thuyết lỗ đen thành hai nhóm (xem Vụ cá cược Thorne–Hawking–Preskill). Trong cơ học lượng tử, thông tin bị mất tương ứng với sự vi phạm thuộc tính sống còn của lý thuyết này là nguyên lý nhà cung cấp (unitarity) – nguyên lý hạn chế về sự phát triển của một hệ lượng tử bảo đảm tổng các xác suất của mọi biến cố khả dĩ cho một buổi lễ luôn luôn phải bằng 1 – hay nghịch lý thông tin vi phạm định luật bảo toàn xác suất. không dừng lại ở đó, nếu nguyên lý nhà cung cấp bị vi phạm còn kéo theo định luật bảo toàn năng lượng không còn đúng.[182]

Hawking cá rằng thông tin quả thực biệt tăm khi mọi thứ bị phá hủy tại vùng kì dị cuốn hút, còn Gerard ‘t Hooft & Leonard Susskind nghĩ rằng có một chính sách nào đó lấy lại thông tin ẩn dưới chân mây buổi lễ. Năm 2004, Hawking đăng một bài báo minh chứng các thăng giáng lượng tử tại chân mây buổi lễ cho phép lý giải nghịch lý & ông công nhận thông tin không bị mất cũng như nhận thua trong vụ cá cược với một bên là Preskill & bên kia là Thorne cùng Hawking. Trong quyển sách của ông, Susskind lập luận là nguyên lý toàn ảnh phối hợp với thuyết dây có thể lý giải thành công nghịch lý này.

Cho đến nay, các công trình lý thuyết chứng tỏ quả thực thông tin & nguyên lý nhà cung cấp được bảo toàn trong cách tiếp cận cuốn hút lượng tử cho nghịch lý này.[186]

– Lỗ đen trong khoa học viễn tưởng

Các đặc tính & thuộc tính vật lý của lỗ đen được các Author sử dụng mang vào những truyện khoa học viễn tưởng trước thập niên 1960, trước khi thuật ngữ này chào đời & cả sau khoảng thời gian những hiểu biết khoa học về nó trở lên đầy đủ hơn. Nó cũng hiện ra trong các bộ phim khoa học giả tưởng, manga & game.

Chẳng hạn, tác phẩm “The City and the Stars” (1956), của Arthur C. Clarke, có nói về một vật thể nhân tạo chẳng thể bị phá hủy & nó bị giam cầm ở rìa thiên hà. Author gọi vật thể giống như người nổi tiếng này là ‘mặt trời đen’. “Kyrie” (1968), truyện ngắn của Poul Anderson, nói về một đoàn thám hiểm đến ‘vùng lõi sau vụ nổ siêu tân tinh’.

Cuốn Lược sử thời gian (1988) của Stephen Hawking ngoài luận bàn về những thuộc tính của lỗ đen ông cũng nhắc đến viễn tượng du hành thời gian nhờ đến nó hoặc thông qua lỗ sâu.

Bộ phim Star Trek (2009), có cảnh nói về nhân vật Nero sử dụng “vật chất đỏ” nhằm tạo nên một lỗ đen để phá hủy hành tinh Vulcan. Trong một tập phim của seri ‘Star Trek: Voyager’, đoàn du hành đã lái tàu vũ trụ đi qua chân mây buổi lễ & bị mắc kẹt ở bên trong.

Trong bộ manga InuYasha, nhân vật Miroku với bên tay cần phải có một Phong huyệt với khả năng hút toàn bộ mọi thứ giống như lỗ đen.

Trong game Mass Effect 2, người chơi được trang bị loại súng “M-490 Blackstorm” hay “black hole gun” với khả năng tạo nên kì dị cuốn hút giống như lỗ đen nhằm hút mọi thứ vào trong.

Trong Interstellar (2014) của Christopher Nolan, nhân vật Cooper cùng phi hành đoàn phải đi ngang qua một lỗ đen để đến các hành tinh mới khác nhằm đi tìm sự sống. Lỗ đen trong phim bẻ cong không gian, làm cho nó có dạng hình cầu, & làm co giãn thời gian của các hành tinh gần nó. Lỗ đen còn tồn tại những điểm kì dị cho ta các không gian năm chiều. Cooper nghĩ rằng cái lỗ đen gần sao Hỏa ấy & các không gian năm chiều là thành quả của nhân loại trong tương lai.

Nguồn:

https://vi.wikipedia.org/wiki/L%E1%BB%97_%C4%91en

Genk. http://khoahoc.tv/kham-pha-bi-an-ve-nhung-ho-den-ky-la-nhat-vu-tru-43133

 

CHIA SẺ BÀI VIẾT

By ads_law

Trả lời