Tiểu luận Lỗ đen vũ trụ

Tiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụTiểu luận Lỗ đen vũ trụ

Khoa Vật Lý TIỂU LUẬN

MỤC LỤC

A LỜI MỞ ĐẦU

I Mục đích nghiên cứu: 2

II Đối tượng nghiên cứu: 2

III Phương pháp nghiên cứu: 2

I Lịch sử hình thành và tiến hóa: 3

1 Suy sụp hấp dẫn: 3

2 Hình thành từ các hạt va chạm năng lượng cao: 4

3 Phát triển và sát nhập: 5

4 Bức xạ Hawking: 7

5 Khái niệm: 8

II Tính chất và cấu trúc: 10

1 Tính chất vật lý: 10

2 Chân trời sự kiện: 13

3 Mặt photon: 16

4 Vùng sản công: 16

5 Đi vào trong lỗ đen và du hành vũ trụ: 17

III Cách quan sát: 20

1 Đĩa bồi tụ vật chất: 20

2 Nguồn tia X trong hệ sao đôi: 21

3 Nhân thiên hà: 22

4 Chớp tia gamma: 23

5 Hiệu ứng của trường hấp dẫn: 24

C TÀI LIỆU THAM KHẢO

A Lời mở đầu

Thiên văn học là một môn khoa học về các thiên thể, những vật thể tồn tại trên trời, là một môn khoa học về cấu tạo, chuyển động và tiến hóa của các thiên thể kể cả trái đất, về hệ thống của chúng và về vũ trụ nói chung, có thể dẫn dắt con người đi chinh phục vũ trụ Thiên văn là một môn học rất cổ điển nhưng đồng thời cũng rất hiện đại, lượng kiến thức của nó rất đồ sộ Thiên văn từ đâu

đã bước ra khỏi khuôn khổ của vật lý Nó là một trong những môn cơ sở của nhận thức luận và hiện nay đang là ngành khoa học mũi nhọn

I Mục đích nghiên cứu:

Giúp các bạn sinh viên nắm được các kiến thức cơ bản về lỗ đen

Khái niệm lỗ đen, sự hình thành lỗ đen, tính chất và cấu trúc của lỗ đen, cách quan sát lỗ đen

o Nghiên cứu lý luận:

Tiến hành đọc tài liệu trong giáo trình, các thông tin về lỗ đen trên các sách vở, nguồn internet

Tham khảo ý kiến của các thầy cô, các anh chị khóa trước để hoàn thiện và kiểm tra tính chính xác về nội dung

o Nghiên cứu thực hành:

B Nội dung

Albert Einstein là người đầu tiên tiên đoán về các lỗ đen năm 1916 với thuyết tương đối tổng quát Thuật ngữ “lỗ đen” được đặt ra năm 1967 bởi nhà thiên văn học John Wheeler và lỗ đen đầu tiên được phát hiện vào năm 1971

1 Suy sụp hấp dẫn:

Giai đoạn suy sụp hấp dẫn xuất hiện khi áp suất trong lòng vật thể không còn

đủ lớn để chống lại lực hút hấp dẫn của chính nó Đối với ngôi sao, quá trình này xuất hiện hoặc là do nó có quá ít "nhiên liệu" còn lại để duy trì nhiệt độ thông qua các phản ứng tổng hợp hạt nhân sao, hoặc bởi vì ngôi sao nhận thêm vật chất

từ môi trường hoặc từ sao đồng hành khiến cho lực hấp dẫn của nó lớn hơn áp suất trong lòng ngôi sao Trong cả hai trường hợp, áp suất không đủ lớn để ngăn cản sự suy sụp hấp dẫn dưới chính khối lượng của nó Quá trình này gọi là quá trình suy sụp hấp dẫn Quá trình suy sụp có thể dừng lại bởi "áp suất lượng tử" của các thành phần hạt vật chất trong ngôi sao, hình thành lên dạng vật chất với mật độ rất lớn trong nó Kết quả này mang lại có một số kiểu sao đặc khác nhau

Do vậy khối lượng tàn dư thường nhỏ hơn rất nhiều khối lượng của sao gốc Các nhà vật lý lý thuyết cho rằng các lỗ đen khối lượng sao hình thành từ quá trình suy sụp hấp dẫn của các ngôi sao gốc khối lượng lớn

Tùy vào khối lượng ban đầu của sao mà sao có thể tiến hóa thành:

Trong khi đa số năng lượng giải phóng trong quá trình suy sụp hấp dẫn phát

ra rất nhanh, một người ở xa bên ngoài không thực sự nhìn thấy quá trình này kết thúc Ngay cả khi nó chỉ diễn ra trong một thời gian hữu hạn đối với hệ quy chiếu của vật chất đang rơi suy sụp, quan sát viên ở xa sẽ thấy vật chất rơi về trung tâm chậm dần và dừng lại ngay trước chân trời sự kiện Đối với một người

xa lạ họ sẽ thấy đồng hồ ở gần lỗ đen sẽ chạy chậm hơn so với đồng hồ ở xa lỗ đen, đó là do hiệu ứng "giãn thời gian do hấp dẫn" Ánh sáng phát ra từ vật chất

co sụp càng mất thời gian lâu hơn để đến được vùng bên ngoài, với ánh sáng phát ra ngay trước khi vật chất băng qua chân trời sự kiện mất khoảng thời gian gần vô hạn để tới được quan sát viên Do vậy, người này sẽ không thể nhìn thấy hình thành chân trời sự kiện của lỗ đen Vật chất suy sụp theo thời gian trở lên

mờ hơn và bước sóng ánh sáng phát ra dịch chuyển về phía đỏ nhiều hơn và cuối cùng tàn lụi đi, không còn thứ ánh sáng nào nữa

2 Hình thành từ các hạt va chạm năng lượng cao:

Ngoài quá trình suy sụp hấp dẫn hình thành lên lỗ đen, về nguyên lý thì những va chạm hạt năng lượng cao trong các máy gia tốc cũng có thể hình thành lỗ đen khi đạt mật độ cho phép Cho đến 2013, chưa một sự kiện nào được xác nhận, trực tiếp hay gián tiếp, một lỗ đen siêu nhỏ hình thành trong các máy gia tốc hạt Về mặt lý thuyết, giới hạn khối lượng cho phép hình thành lỗ

đen siêu nhỏ nằm trong khoảng khối lượng Planck, nơi các hiệu ứng lượng tử có ảnh hưởng đáng kể Giới hạn này cho thấy trong mức hoạt động hiện nay của một số máy gia tốc thì không có khả năng sinh ra các lỗ đen siêu nhỏ Mặt khác, một số lý thuyết về hấp dẫn lượng tử cho kết quả khối lượng Planck có thể còn

có giá trị thấp hơn: có mô hình "thế giới brane" tính ra giá trị này bằng 1 Mặc dù các lý thuyết là rất gợi mở, nhưng một số nhà vật lý không ủng hộ cho khả năng xuất hiện các lỗ đen siêu nhỏ trong các máy gia tốc nhân tạo Cho nên,

lý thuyết vẫn chỉ là lý thuyết thôi Ngay cả khi những lỗ đen này hình thành, theo

lý thuyết chúng sẽ nhanh chóng bốc hơi với khoảng thời gian 10-25 giây, và không gây ảnh hưởng đến Trái Đất Sự hình thành lỗ đen vi mô cũng liên quan tới phỏng đoán vòng về chu vi giới hạn của vật thể sau quá trình va chạm hoặc suy sụp

3 Phát triển và sát nhập:

Trong thời gian tồn tại của lỗ đen, nó có thể tăng thêm khối lượng bằng quá trình hút vật chất từ không gian xung quanh vào Nó sẽ liên tục hấp thụ khí và bụi liên sao từ môi trường xung quanh và cả bức xạ nền vi sóng vũ trụ Quá trình hấp thụ khối lượng là một trong những quá trình cơ bản hình thành lên lỗ đen siêu khối lượng Và có thể quá trình này cũng áp dụng cho các lỗ đen khối lượng trung gian nằm ở các cụm sao cầu

Một cơ chế khác đó là lỗ đen sáp nhập với các thiên thể khác như sao hay chính lỗ đen Quá trình này đặc biệt quan trọng vì nó mang lại khả năng giải

thích hợp lý tại sao lại có những lỗ đen khổng lồ, mà chúng hình thành từ việc sáp nhập nhiều lỗ đen nhỏ hơn Các lỗ đen khối lượng khổng lồ nằm tại tâm mỗi thiên hà có thể sáp nhập với nhau trong giai đoạn hai thiên hà va chạm và sáp nhập, và quá trình này có thể xảy ra đối với lỗ đen khối lượng trung gian, như Omega Centauri

Quá trình thu hút vật chất về phía lỗ đen sẽ hình thành lên một đĩa sáng bồi

tụ chứa vật chất trạng thái plasma nóng hàng triệu độ, và vùng này phát ra nguồn tia X rất mạnh Chớp tia gamma thu được từ các đài quan sát vệ tinh phát

ra từ những nguồn ở rất xa cng có thể giải thích từ quá 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 biết ra sự tồn tại của lỗ đen

Hai lỗ đen quay quanh nhau sẽ phát ra sóng hấp dẫn mang 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 hình thành một lỗ đen khối lượng lớn hơn và quay rất nhanh quay trục Lỗ đen mới có thể bị đẩy ra khỏi vùng của hai lỗ đen ban đầu với vận tốc cỡ 400 km/s, và thậm chí sau thời gian dài nó có thể thoát khỏi thiên hà ban đầu

Hình: Mô phỏng 2 lỗ đen sát nhập và phát ra sóng hấp dẫn

4 Bức xạ Hawking:

Năm 1971, Stephen Hawking chứng minh diện tích chân trời sự kiện của bất

kì lỗ đen cổ điển đều không bao giờ giảm Điều này tương tự như định luật thứ hai của nhiệt động lực học, trong đó vai trò diện tích chân trời sự kiện tương ứng với entropy Năm 1974, Hawking áp dụng lý thuyết trường lượng tử cho không thời gian cong xung quanh chân trời sự kiện của lỗ đen và phát hiện ra rằng các

lỗ đen có thể phát ra một lượng nhỏ bức xạ nhiệt, bức xạ mà hố đen gọi là bức

xạ Hawking

Bằng cách áp dụng lý thuyết trường lượng tử cho một lỗ đen đứng yên trong không thời gian, ông xác định được nó sẽ phát ra các hạt trong phổ bức xạ vật đen tuyệt đối Bức xạ Hawking xuất phát từ ngay bên ngoài chân trời sự kiện và cho tới nay người ta vẫn hiểu là nó mang thông tin từ bên trong lỗ đen vì đó là bức xạ nhiệt Các lỗ đen sẽ giảm dần khối lượng và 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 hấp dẫn bề mặt của lỗ đen,

mà đối với lỗ đen Schwarzschild, nhiệt độ tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó Do vậy, các lỗ đen khối lượng lớn phát ra ít bức xạ hơn so với lỗ đen khối lượng nhỏ hơn

Giả sử một lỗ đen có khối lượng bằng khối lượng Mặt Trời thì nó có nhiệt độ Hawking bằng 100 nano Kelvin Giá trị này nhỏ hơn hẳn nhiệt độ 2,7K của bức

xạ nền vi sóng vũ trụ Do đó lỗ đen khối lượng sao hay lớn hơn sẽ nhận thêm khối lượng từ bức xạ nền vũ trụ so với lượng nhỏ bức xạ Hawking chúng phát

ra, và vì vậy chúng lớn lên thay vì nhỏ dần đi Để có nhiệt độ Hawking lớn hơn 2,7K, lỗ đen phải có khối lượng nhỏ hơn khối lượng Mặt Trăng Những lỗ đen này chỉ có đường kính bé hơn

của milimét

Lỗ đen càng nhỏ thì hiệu ứng bức xạ càng mạnh Một lỗ đen có khối lượng bằng người bình thường sẽ ngay lập tức 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 nhỏ hơn có thời gian bốc hơi ngắn hơn nữa, lỗ đen khối lượng 1 chỉ cần ít hơn 10-88 giây để biến mất Tuy lỗ đen có thể bốc hơi theo lý thuyết, nhưng nó không thể tách thành hai lỗ đen nhỏ hơn, lỗ đen chỉ có thể sáp nhập với nhau

5 Khái niệm:

Lỗ đen hay hố đen là một thiên thể kì lạ có mật độ khối lượng lớn như một con quái vật hút tất cả những gì đến gần nó, là một vùng không thời gian mà có mật độ đặc tới mức lực hấp dẫn không thể chống lại, nó ngăn không cho kì một dạng vật chất nào kể cả ánh sáng có thể thoát ra ngoài mặt biên của nó (chân trời sự kiện), khiến cho chúng trở nên vô hình tạo nên một khoảng trống trong cấu trúc không gian

Thuyết tương đối rộng của Einstein, hố đen vũ trụ không những tồn tại mà còn có thể hình thành trong tự nhiên khi có đủ điều kiện, khi một vật chất nào đó đạt đến vận tốc ánh sáng, nó sẽ tạo ra một giới hạn mà trong đó mọi vật chất sẽ tập trung lại thành một điểm duy nhất tạo thành lỗ đen

Lỗ đen gọi là "đen" bởi vì nó hấp thụ mọi bức xạ và vật chất hút qua chân trời sự kiện, nó cũng không phải là một loại "lỗ" hay "hố" nào mà là vùng không thời gian không để cho một thứ gì thoát ra ngoài được

Vật chất muốn thoát khỏi lỗ đen phải có vận tốc thoát lớn hơn vận tốc ánh sáng trong chân không, mà điều này không thể xảy ra trong khuôn khổ thuyết tương đối, ở đó vận tốc ánh sáng trong chân không là vận tốc giới hạn lớn nhất

có thể đạt được của mọi dạng vật chất

Hố đen không biểu hiện như những ngôi sao sáng bình thường mà chúng chỉ được quan sát gián tiếp qua sự tương tác của trường hấp dẫn của hố đen đối với không gian xung quanh

Một nhóm nhà Vật lý thiên văn quốc tế đứng dầu bởi các nhà khoa học trường đại học Fohns Hopkins lần đầu đã chứng kiến một ngôi sao bị nuốt bởi lỗ đen, giải phóng ra một quầng lửa của vật chất bốc cháy với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng

Hình: Lỗ đen cuốn hút

vật chất dữ dội, cọ sát với nhau và nóng lên hàng triệu độ

II Tính chất và cấu trúc:

Khi một vật rơi vào lỗ đen, bất kỳ thông tin nào về hình dạng, phân bố điện tích, của vật đó hoàn toàn biến mất đối với quan sát viên đứng ở ngoài xa lỗ đen Trạng thái ổn định sau khi hình thành lỗ đen chỉ cần miêu tả bởi ba tham số: khối lượng, điện tích và momen động lượng, không có cách nào để tránh khỏi sự mất thông tin về những điều kiện ban đầu: trường hấp dẫn và điện từ của lỗ đen cho rất ít thông tin về trạng thái trước khi hình thành nó và về những cái rơi vào

nó Ngoài ra còn có nhiều thông tin vật lý bị mất, những người đứng ở xa ngoài vùng chân trời sự kiện không thể nào đo được các đại lượng

1 Tính chất vật lý:

o Phân lo ại theo tính chất:

Loại lỗ đen đơn giản nhất là chỉ có khối lượng mà không có điện tích hay quay quanh trục của nó Những lỗ đen này được miêu tả bằng metric Schwarzchild mang tên Kari Schwarschild- người đã tìm ra lời giải thích chính xác cho phương trình của thuyết tương đối tổng quát năm 1916 Theo định lý Birkhoff, đây là nghiệm miêu tả không thời gian vùng chân không bên ngoài một khối vật chất dạng đối xứng cầu Điều này có nghĩa là không có sự khác biệt giữa trường hấp dẫn của một lỗ đen với những vật thể khác với bán kính lớn hơn dạng cầu có cùng khối lượng Hình ảnh phổ biến trong kiến thức đại chúng

về lỗ đen đó là nó hút mọi thứ xung quanh về phía chân trời sự kiện của nó, xa bên ngoài lỗ đen, trường hấp dẫn do lỗ đen làm cong không thời gian quanh nó trở nên yếu đi và giống như trường hấp dẫn của vật thể cầu cùng khối lượng

Lỗ đen dạng cầu mang điện tích được miêu tả bởi metric Nordstrom Tuy vậy, trong vũ trụ đa số các lỗ đen là trung hòa về điện Lỗ đen đứng yên và quay quanh trục miêu tả theo metric Kerr Mô hình tổng quát cho lỗ đen đứng yên, quay quanh trục và mang điện tích đó là metric Ker-Newman do Erza Newman tìm ra

Reissner-Trong thuyết tương đối rộng, khối lượng lỗ đen có thể nhận giá trị dương bất

kì, nhưng giá trị diện tích và momen động lượng bị giới hạn theo giá trị khối lượng của nó

Trong đơn vị Planck, tổng diện tích Q và monmen động lượng toàn phần J thỏa mãn bất đẳng thức

Với M là khối lượng lỗ đen

Những lỗ đen thỏa mãn dấu bằng của bất đẳng thức gọi là các lỗ đen cực trị Phân loại theo khối lượng:

Không quay (J=0) Quay (J

Điện tích (Q Reissner Nordstrom Kerr Newman

o Phân lo ại theo khối lượng:

Trong vật lý thiên văn, lỗ đen còn được phân loại theo khối lượng của chúng không kể tới hai tham số kia, ngoài cách phân loại theo tính chất là khối lượng, mômen động lượng J hay điện tích Q Kích thước của một lỗ đen, như được xác định bằng bán kính của chân trời sự kiện, hay bán kính Schwarzschild, tỉ lệ với

khối lượng M của nó

với rS là bán kính Schwarzschild và M là khối lượng Mặt Trời

Tuy nhiên, công thức này chỉ đúng cho trường hợp lỗ đen không quay quanh trục và không có điện tích Đối với lỗ đen tổng quát nói chung, giá trị này có thể lớn gấp hai lần

co lại để tiến thành một lỗ đen sao

Các lỗ đen sinh ra bởi sự suy sụp của các ngôi sao đơn lẻ sẽ tương đối nhỏ nhưng lại vô cùng đậm đặc Mỗi vật thể như vậy sẽ đóng gói 3 lần khối lượng Mặt trời vào một kích thước chỉ tương đương một thành phố Những lỗ đen này hút bụi và khí từ những khu vực xung quanh chúng và tăng dần kích thước

Giả sử là khoảng thời gian giữa hai sự kiện xảy ra trên thiên thể có khối lượng M và bán kinh r (thời gian riêng), là khoảng thời gian giữa hai sự kiện

đó được người quan sát ở ngoài thiên thể ghi nhận (thời gian tọa độ) thì:

Ta thấy nếu r>> thì , tức khi thiên thể có bán kính co rút đến gần giá trị số bán kính hấp dẫn của nó thì thời gian tọa độ sẽ trở nên vô cùng to lớn, thời gian kéo dài ra Như vậy, giả sử sao khi bình thường phát sóng =c

(trong đó: là chu kì sóng) thì khi sao co rút đến bán kính r= là:

Vậy bước sóng λ=cT=

Điều đó có nghĩa khi sao biến thành lỗ đen thì ta không thể thu được sóng điện

từ của nó, tức là cả ánh sáng Sao đã tắt ngấm và được gọi là lỗ đen sao

 Lỗ đen siêu khổng lồ (con quái vật khổng lồ của vũ trụ):

Các lỗ đen nhỏ phổ biến trong vũ trụ nhưng các lỗ đen siêu khổng lồ lại chiếm ưu thế Chúng lớn gấp hàng triệu thậm chí là hàng tỷ lần khối lượng Mặt trời nhưng chỉ có kích thước tương đương với Mặt trời mà thôi Mỗi lỗ đen như vậy được cho là nằm ở khu vực trung tâm của hầu hết các thiên hà bao gồm cả dải Ngân hà của chúng ta Gần đây người ta cũng chứng minh được rằng tại tâm mỗi thiên hà đều tồn tại một hố đen có khối lượng rất lớn Hố đen tại tâm thiên hà của chúng ta nặng khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt trời

Các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn việc làm như thế nào lỗ đen to lớn như vậy được sinh ra Nhưng một khi chúng đã hình thành, chúng có thể dễ dàng thu thập khối lượng từ bụi và khí xung quanh chúng ta, lượng vật chất dồi dào ở các tâm thiên hà cho phép chúng phát triển đến kích thước khổng lồ

Các lỗ đen siêu khổng lồ có thể là kết quả của hàng trăm hay hàng ngàn lỗ đen nhỏ kết hợp lại tạo nên Các đám mây khí lớn có thể cũng là nguồn gốc hình thành lỗ đen siêu khổng lồ khi suy sụp lại và nhanh chóng tăng khối lượng