hố đen

“Thế giới thay đổi trong 100 năm trở lại đây nhanh hơn rất nhiều so với các thế kỷ khác trong lịch sử. Nguyên nhân không phải do chính trị hay kinh tế mà là kỹ thuật--các ngành kỹ thuật chảy trực tiếp từ sự phát triển của khoa học cơ bản.”

The lucent library of

science andtechnology

Höë àen

Taác giaã: Don nardo

Dõch: pac

Mục Lục Don Nardo

Muåc luåc

Mục Lục 2 Lời Người Dịch 3

Lời Nói Đầu 4

Lời Giới Thiệu 6

Lời Người Dịch Don Nardo

Lúâi ngûúâi dõch

Cuốn sách này được lấy từ cuốn Black Hole của tác giả Don Nardo

do thành viên của PAC Polytechnic Astronomy Club, CLB Thiên Văn

Bách Khoa dịch Chúng tôi dịch nó không có mục đích gì hơn là phổ

cập kiến thức cơ bản về thiên văn cho mọi người Bạn đọc được toàn

quyền in nội dung của nó ra với mục đích cá nhân và phi thương mại

Nếu muốn phát hành ở trang web khác bạn làm ơn ghi nguồn là PAC

và phobachkhoa.com

Trong quá trình dịch, không thể tránh khỏi sai sót về lỗi chính tả, lỗi từ

ngữ, hay ngữ pháp, và cũng do hạn chế về trình độ của người dịch nên

nhiều đoạn không lột hết được ý nguyên gốc của tác giả, nên chúng tôi,

những người dịch xin khuyến cáo những ai có khả năng về Anh ngữ thì

nên đọc sách gốc Mọi sự phản ánh về thiếu sót của ebook xin đưa về

diễn đàn http://phobachkhoa.com/, chúng tôi xin chân thành cảm ơn

Ở phần cuối, chúng tôi chỉ dịch phần Ghi Chú, các phần còn lại như đọc

thêm, thuật ngữ, tác giả… các bạn có thể tham khảo thêm trong sách

gốc

Người dịch: © duyb7, nvl_8x

Lời Nói Đầu Don Nardo

Lúâi noái àêìu

“Thế giới thay đổi trong 100 năm trở lại đây nhanh hơn rất nhiều so với

các thế kỷ khác trong lịch sử Nguyên nhân không phải do chính trị hay

kinh tế mà là kỹ thuật các ngành kỹ thuật chảy trực tiếp từ sự phát

triển của khoa học cơ bản.”

Stephen Hawking, “A Brief History

of Relativity,” báo Time, 2000

uộc cách mạng khoa học kỹ thuật của thế kỷ hai mươi là thế kỷ mà

nhà vật lý học người Anh Stephen Hawking mô tả trong đoạn trích

trên đã biến đổi sâu sắc vẻ bên ngoài của cuộc sống con người nhanh

chưa từng có Các phát minh không thể tưởng tượng được trong một

thể kỷ qua không chỉ trở nên bình thường mà còn được xem là cần thết

trong cuộc sống thường nhật Nhà sử gia khoa học, James Burke viết,

“Chúng ta được bao quanh bởi những hệ thống và vật thể mà chúng ta

dùng chúng một cách bình thường, nhưng chúng lại có ảnh hưởng sâu

sắc đến hành động, suy nghĩ, công việc, giải trí của chúng ta và chúng

kiểm soát cuộc sống của chúng ta.”

Ví dụ, chỉ trong một trăm năm, hệ thống giao thông thay đổi một

cách đột ngột Năm 1900, xe hơi chạy bằng dầu chỉ mới được giới

thiệu, và chỉ mới có 144 dặm đường bộ của Mỹ được bê tông hóa Xe

ngựa kéo vẫn chiếm đầy đường phố và thành thị Mỹ Máy bay vẫn đang

được sáng chế Ngày nay có tới 217 phương tiện đi lại trên 4 triệu dặm

đường Mỹ Con người đổ bộ lên Mặt Trăng và các máy bay thương mại

phương tiện chở hành khách đi qua Đại Tây Dương chỉ mất dưới ba giờ

Sự biến đổi thông tin liên lạc cũng đột ngột tương tự Trong năm

1900 hầu hết người Mỹ sống và làm việc trên các nông trại không hề có

điện hay thư tín Chỉ có vài người đã từng nghe radio và nói trên điện

thoại Một trăm năm sau, 98 phần trăm nhà ở Mỹ có điện thoại và tivi

và hơn 50 phần trăm có máy tính cá nhân Vài gia đình thậm chí còn có

hơn một cái ti vi và máy tính, và điện thoại di động giờ đã trở nên phổ

biến, ngay cả đối với giới trẻ Thông tin phát ra từ các vệ tinh liên lạc

dự báo thời tiết toàn cầu và cáp quang học, email, và Internet đã nối

tức thời thông tin liên lạc trên toàn cầu

C

Lời Nói Đầu Don Nardo

Có lẽ thước đo ấn tượng nhất về sự thay đổi khoa học và công nghệ

có thể thấy trong ngành y tế và sức khỏe cộng đồng Vào đầu thế kỷ

hai mươi, độ tuổi trung bình của dân Mỹ là bôn mươi bảy Cuối thế kỷ

này độ tuổi trung bình đạt tới tám mươi, nhờ vào các tiến bộ trong y tế

bao gồm sự phát triển vắc xin và thuốc kháng sinh, phát minh ra các

dụng cụ chuẩn đoán hiệu quả như tia X, công nghệ chữa bệnh và chăm

sóc trẻ sơ sinh, và sự phát triển trong dinh dưỡng hay kiểm soát các

dịch truyền nhiễm

Tốc độ thay đổi nhanh chóng có vẻ vẫn tiếp diễn qua thế kỷ thứ hai

khi khoa học đã hé mở thêm về các quá trình vật lý và sinh học như

hiện tượng nóng lên toàn cầu, sự tái tạo của virut, và độ dẫn điện, và

khi con người chấp nhận kiến thức mới là yêu cầu của con người và là

chính sách của nhà nước Ví dụ, hiệp ước quốc tế đòi hỏi phải cắt giảm

tức thì các khí thải công nghiệp và phương tiện giao thông để hưởng

ứng nghiên cứu cho thấy khả năng nguy hiểm tăng cao đến sự gia tăng

nhiệt độ toàn cầu gây ra do các hoạt động của con người Việc giữ thế

chủ động trong việc quyết định con đường thay đổi tương lai phụ thuộc

vào giáo dục; con người phải hiểu khả năng ứng dụng của các nghiên

cứu khoa học và các tác động của công nghệ xung quanh chúng ta

Bộ sách Lucent Library of Science and Technology mô tả sơ lược về

sự đổi mới và phát minh đã thay đổi thế giới hiện đại Mỗi quyển sách

cố gắng đưa một phát minh khoa học, kỹ thuật, hay hiện tượng phức

tạp trở nên dễ hiểu và thích hợp với người đọc Vì các phát minh khoa

học thường hiếm khi dể hiểu, nên mỗi quyển sẽ giải thích các ngõ cụt,

các tai nạn may mắn, và phương pháp khoa học cơ bản mà các nghiên

cứu của chủ đề dựa vào Và mỗi quyển sách lại nghiên cứu ứng dụng

thực tiễn của một phát minh, nhánh của khoa học, hay nguồn gốc khoa

học trong công nghiệp, sức khỏe cộng đồng, và cuộc sống con người,

cũng như các khả năng ứng dụng trong tương lai và tác động dựa trên

các nghiên cứu hiện tại Các trích dẫn đầu đủ từ các tài liệu, các chú

giải về tiểu sử được đóng khung và các nguồn điện tử, thuật ngữ, bảng

chú dẫn, và các minh họa kỹ thuật đều nằm trong phần bổ sung để

hướng người đọc khám phá sâu hơn cho chủ đề

Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo LÚÂI GIÚÁI THIÏÅU

ÀÖËI MÙÅT VÚÁI BÑ ÊÍN TÖÅT CUÂNG

uan niệm về hố đen luôn đè chặt lên trí tưởng tượng của loài người

Đã có khá nhiều sinh vật, vật thể lạ, đáng sợ, được con người xây dựng lên trong các câu truyện thần thoại, các chuyện giả tưởng Khoa học hiện đại ngày nay cũng đã tiết lộ những thứ quái lạ, đáng lo lắng không kém của thế giới tự nhiên Nhưng dẫu sao những thứ này cũng không thể so sánh với hố đen, một vật thể có lực hấp dẫn lớn đến nỗi ánh sáng cũng không thể nào thoát ra nỗi và là nơi mà hầu như mọi định luật của tự nhiên đều bị phá vỡ Trong những lời ghi lại của nhà vật lý Kip Thorne, một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới nghiên cứu về hố đen :

Trong tất cả những quan niệm của con người, từ những hình kì lân

xả nước của ngành xây dựng hay những quả bom khinh khí, có lẽ điều kì dị nhất là hố đen: một cái hố trong khoảng không vũ trụ, với những rào cản nhất định sẽ khiến bất kì vật gì rơi và trong và không

gì có thể trốn thoát, một cái hố với lực hấp dẫn mạnh tới nỗi ánh sáng cũng bị tóm gọn và giữ trong gọng kìm của nó, một cái hố có thể bẻ cong không gian và thời gian

Đối với nhiều người, những ý nghĩ về con quái vật của vũ trụ dường như giống một cái gì đó ngoài những cuốn tiểu thuyết hay bộ phim khoa học viễn tưởng Và theo như lời Thorne: ”các định luật thực nghiệm khá tốt của vật lý tiên đoán cương quyết rằng hố đen nhất định tồn tại, ngay trong ngân hà của chúng ta con số cũng có thể lên tới hàng triệu.”1

Con quái vật bí ẩn

Mặc dù có khả năng tồn tại một số lượng lớn hố đen đang ẩn lấp ngoài khoảng không vũ trụ, những vật thể lạ lùng này lại không dễ dàng gì để quan sát và nghiên cứu Thorne thừa nhận rằng: ” bóng tối của chúng ẩn dấu đi sự quan sát, các nhà thiên văn sẽ gặp phải những khó khăn rất lớn trong việc tìm ra chúng.”2 Chính tính lẫn tránh này

Q

Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo

truyền cho hố đen một bầu không khí bí ẩn Và thực tế còn có một lý

do nữa làm cho hố đen trở lên kì lạ với nhiều người là nó là một vật thể

Khí và mảnh vụn vật chất xoay quanh hố đen tạo thành đĩa vật chất mà cuối cùng cũng bị hút vào trong hố

cực kỳ bí ẩn Bởi ngay cả ánh sáng cũng bị bẫy vào trong chúng, ngăn cách khả năng nhìn thấy, khả năng hữu hình của những phần tử trong

vũ trụ, chúng tối, tiên đoán một điềm giở và ở một góc độ nào đó chúng trở lên đáng sợ Điều quan trọng nhất là cái gì nằm trong những

hố đen này Cho dù loài người đã cố gắng lí thuyết hóa chúng bằng mọi cách, hố đen vẫn một bí ẩn tột cùng Theo như lời của John Taylor, một học giả xuất sắc của trường Đại Học Hoàng Gia London:

Kể từ khi con người bắt đầu suy nghĩ, chúng ta đã tôn thờ những cái mà chúng ta không thể hiểu biết Nhiều nhiên niên kỷ đã trôi qua, hiểu biết về thế giới xung quanh chúng ta cũng đã tăng lên khá nhiều và giờ đây chúng ta đang ở trong tình trạng phải đối mặt với giới hạn của nhận thức, cái mà chẳng bao giờ có thể xuyên suốt nếu chúng ta còn dữ lại những dạng vật lý hiện tại Giới hạn đó

Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo

chính là hố đen Mặc dù cố gắng hết sức chúng ta cũng sẽ chẳng bao giờ thoát được vật đáng sợ nơi thiên đàng này một khi đã ở trong đó Hay chúng ta sẽ chẳng bao giờ tìm ra thứ gì bên trong nó nếu chúng ta cứ đứng ở ngoài mãi do sợ hãi trước một chuyến đi chỉ

có một chiều

Tại sao lại phải nghiên cứu hố đen?

Nếu như hố đen thật sự bí ẩn như vậy và ở một góc độ nào đó là không thể hiểu biết được, và thật dễ dàng để những người không chuyên băn khoăn liệu chúng có đáng giá để nghiên cứu Liệu các nhà thiên văn có nên đầu tư thời gian, năng lượng và tiền bạc để theo đuổi những nỗ thực tế hơn không? Câu trả lời dường như là không Rất nhiều bằng chứng cho thấy hố đen có mối liên quan khá mật thiết tới nguồn gốc tiến triển của vũ trụ Trước hết có thể nói những hố đen như vậy biểu thị lực hấp dẫn đã từng trải qua mọi thời gian Lực hấp dẫn là lực níu kéo vũ trụ lại với nhau và các nhà khoa học càng nắm bắt được nhiều về nó họ càng giải thích được tốt hơn về nguồn gốc và cấu trúc của vũ trụ “Một động lực mãnh liệt cho việc tìm ra hố đen” nhà vật lý Mitchell Begelman và Martin Ress viết, “là chúng là những vật đại diện cho những nơi mà lực hấp dẫn đã át đi tất cả các lực khác, cho phép người ta thử nghiệm lý thuyết về lực hấp dẫn dưới những điều kiện khắc nhiệt nhất.”4

Một trong số rất nhiều lí do khiến các nhà khoa học hào hứng nghiên cứu hố đen là thực tế là có rất nhiều hố đen liên quan tới nguồn gốc của các vì sao Hiểu được hố đen hình thành từ các vì sao như thế nào chúng ta sẽ biết rất nhiều về giai đoạn tiến hóa cuối cùng của các vì tinh tú (Thuật ngữ tinh tú đồng nghĩa với sao.) Đồng thời, cũng làm tăng thêm chứng cớ cho khả năng rằng sự tiến hóa của các thiên hà nơi một khối lượng lớn đang xoay vòng của hàng tỉ ngôi sao có thể bị trói chặt vào các quá trình hình thành và vòng đời của các hố đen khổng lồ tại tâm của các thiên hà

Thêm vào đó, các nhà khoa học tin rằng hố đen chứa đựng trong nó rất nhiều đầu mối quan trọng của các mối quan hệ tự nhiên của không gian và thời gian, đó là giữa thế giới 3 chiều quen thuộc và chiều thứ tư của thời gian Các nhà khoa học thường nhắc tới không gian và thời

Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo

gian bằng thuật ngữ “không thời gian.” Ở gần hố đen, ”không thời gian biểu hiện một cách kì dị và rất ‘không thuộc về trực giác’,” Belgerman chỉ ra rằng :

Ví dụ, thời gian là “đứng yên” đối với một người quan sát đang lượn

lờ quanh chân trời sự cố [bản lề của hố đen], họ có thể thấy được toàn bộ tương lai bên ngoài vũ trụ mà đối với anh ta chỉ diễn ra trong một khoảnh khắc ngắn ngủi Những điều lạ lùng có thể xảy ra với một người nào đó liều lĩnh đi vào bên trong chân trời sự cố… Sự

bớt đi sự tự tin trong những tiên đoán vật lý [những tác động lên vũ trụ xung quanh chúng] Tương tự, có rất nhiều bí ẩn nằm sâu bên

nhà vật lý tính toán ra tính chất của nguyên tử.5

Các nhà nghiên cứu đang kiểm tra lần cuối dụng cụ dò tìm tia X, loại bức xạ có thể cho thấy vị trí của hố đen

Bởi lẽ đó hố đen dường như có mối liên quan rất gần gũi tới các tính chất và quá trình nguyên sinh và các quá trình của vũ trụ Ví dụ, các

Đối Mặt với Bí Ẩn Tột Cùng Don Nardo

chứng cớ cho thấy lực hấp dẫn, quá trình tiến hóa của một tinh tú, sự hình thành các thiên hà và các tác động của không gian lên thời gian (và ngược lại) chỉ ra rằng tất cả đều có mối quan hệ tới con quái vật này của vũ trụ Và việc truy tìm câu trả lời cho những bí ẩn của hố đen

sẽ mở ra một chương thú vị mới cho những chiến công liên tục của khoa học

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo Chûúng 1

Lûåc hêëp dêîn vaâ lúâi tiïn àoaán ban àêìu vïì höë àen

iện nay hầu hết mọi người đều đã nghe nói đến hố đen Nhưng rất

nhiều người không không chuyên không biết những vật thể kỳ lạ

này chính xác là cái gì và chúng có khả năng làm được những gì Một

phần là do cái tên của nó hơi không chính xác Hố đen không phải đơn

giản là một cái lỗ không có gì cả, hay trống rỗng, trong không gian, mà

là một thực thể trong vũ trụ với khối lượng rất lớn (Khối lượng là đơn vị

đo lượng vật chất có trong một vật thể.) Một hố đen có cấu trúc lỗ hay

đường hầm; nhưng không trống rỗng, nó có các tính chất vật lý, những

thứ có thể đo được bằng các dụng cụ của con người

Ví dụ, khối lượng lớn của hố đen tạo ra một trường hấp dẫn lớn mà

các nhà khoa học có thể phát hiện ra Hấp dẫn là lực của tất cả vật chất

kéo các vật thể lại với nhau Các vật thể nhỏ như các phân tử, đá cuội,

con người, nhà cửa và thậm chí cả bốn, lực hấp dẫn quá nhỏ để giác

quan con người nhận ra hay để các dụng cụ có thể đo đạc được; chỉ có

các hành tinh hay lớn hơn, lực hấp dẫn mới rõ ràng và đo đạc được Ví

dụ, lực hấp dẫn của Trái Đất giữ Mặt Trăng quay quanh nó, và lực hấp

dẫn của Mặt Trời, ngôi sao nằm tại tâm hệ mặt trời của chúng ta, giữ

Trái Đất và các hành tinh khác quay quanh nó Tương tự, hố đen tạo ra

lực hấp dẫn hút mọi thứ về phía nó khi chúng đến quá gần “Thực tế,”

nhà thiên văn học Thomas T Arny viết,

trường hấp dẫn tạo ra bởi một hố đen không khác các vật thể cùng

khối lượng khác Ví dụ, nếu Mặt Trời bằng một cách nào đó bất ngờ

biến thành hố đen với khối lượng nó đang có [điều này không thể

xảy ra], Trái Đất vẫn sẽ quay quanh nó giống như bây giờ.6

“Tạo Vật của Hấp dẫn”

Hố đen không chỉ tạo ra một lực hấp dẫn cực lớn, chúng cũng đồng

thời có một quá trình dùng lực hấp dẫn nén một lượng lớn vật chất vào

một khoảng không gian rất nhỏ Điều này làm cho chúng trở thành các

vật thể cực nặng, hay cực đặc Cực nặng và khối lượng lớn là các vật

H

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

thể có khối lượng lớn hơn nhiều so với cách hành tinh và sao thông

thường, chúng có khổi lượng nhỏ hơn Thực tế, lực hấp dẫn của hố đen

lớn đến nỗi có thể cầm tù được cả ánh sáng, vật chất có vận tốc lớn

nhất trong tự nhiên Đó là lý do vì sao hố đen lại có màu đen không có

ánh sáng thoát ra để cho mắt người hay kính viễn vọng thấy được hinh

dạng nó

Bức tranh của một thiên hà ở xa hiện rõ những đám mây khí quay tít

Các nhà thiên văn học cho rằng đám mây khí ở giữa đang ẩn giấu một hố đen

Dựa vào mối quan hệ giữa hố đen và lực hấp dẫn, hố đen có thể

được gọi là “tạo vật của hấp dẫn.” Vì không thể nghiên cứu hố đen nếu

không biết lực hấp dẫn hoạt động như thế nào, đặc biệt là đối với

trường hợp cực độ như vậy Thực tế, phải mất nhiều năm miệt mài

nghiên cứu lực hấp dẫn hoạt động như thế nào thì các nhà khoa học

mới lần đầu xác định được sự tồn tại của hố đen, mặc dù tại thời điểm

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

đó người ta không gọi nó là hố đen và cũng không có một mảnh bằng

chứng nào chứng tỏ sự tồn tại của chúng

Phát Kiến về Lực Hấp Dẫn của Vũ Trụ

Lý thuyết đầu tiên về hấp dẫn xuất hiện vào năm 1666 Trước ngày

này, các nhà khoa học cho rằng lực giữ con người, nhà cửa, cây cối, và

núi non nằm vững chắc trên Trái Đất và lực giữ cho Trái Đất chuyển

động quanh Mặt Trời là các lực khác nhau riêng biệt Sau đó một người

đàn ông xuất sắc người Anh tên Issac Newton chỉ ra rằng điều đó

không đúng; cùng lúc đó, ông giải thích lực hấp dẫn hoạt động như thế

nào

Theo Newton, ông có ý tưởng về lực hấp dẫn lần đầu tiên khi ông

thấy một trái táo rơi từ trên cây xuống Ông không ngạc nhiên về việc

trái táo rơi xuống và chạm mặt đất, tất nhiên, bởi vì đã có kinh nghiệm

từ lâu đời rằng có một năng lực bí ẩn nào đó luôn kéo mọi vật về phía

tâm Trái Đất Thứ kích thích mối quan của ông là mối quan hệ giữa

khoảng cách và lực bí ẩn trên Ông nảy ra suy nghĩ là dù có đứng trên

đỉnh núi cao nhất của thế giới và ném trái táo, nó cũng sẽ chắc chắn rơi

xuống như từ trên cành cây Điều đó có nghĩa lực bí ẩn này đủ mạnh

để kéo một vật ở độ cao mười ngàn foot Có thể lực này hút được cả

những vật xa hơn nữa

Điều này dẫn Newton tới ý nghĩ về Mặt Trăng, nó cách chúng ta cả

trăm ngàn dặm Có thể, ông suy luận, một lực tương tự làm trái táo rơi

đang kéo Mặt Trăng Trong trường hợp này, Mặt Trăng đang “rơi” vào

Trái Đất và lý do duy nhất để hay thiên thể này không đụng vào nhau

đó là do Mặt Trăng liên tục chuyển động ra xa, vào không trung, đã

thoát khỏi, hay cân bằng, lực hút bí ẩn kia Từ nhận thức logic (và đúng

đắn) này, không phải mất công nhiều lắm khi cho rằng một lực y hệt

cũng đang làm cho Trái Đất và các hành tinh khác di chuyển quanh Mặt

Trời Newton kết luận rằng lực bí ẩn trên, ông gọi là lực hấp dẫn, tồn tại

xuyên suốt vũ trụ, và thậm chí đó là vũ trụ Để cho thích hợp, ông đã

đặt tên thuyết mới của mình là định luật vạn vật hấp dẫn

Bằng một phương trình đẹp đẽ, Newton đã biểu thị lực hấp dẫn giữa

hai vật thể phụ thuộc vào hai yếu tố khối lượng của các vật và khoảng

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

cách giữa chúng Một vật nhỏ với khối lượng nhỏ, ông chỉ ra, sẽ tác

động một lực hút rất bé lên vật khác; một vật rất lớn với khối lượng rất

lớn, như các hành tinh, sẽ tác động một lực hấp dẫn có thể đo đạc

được lên các vật khác Cùng lúc đó, khoảng cách cũng tham gia vào

Các vật thể càng xa, Newton nói, sẽ có lực hấp dẫn nhau càng yếu Và

điều ngược lại cũng đúng, các vật thể càng gần thì hút nhau càng

mạnh Điều này giải thích vì sao Mặt Trời dễ dàng tác động lực hút của

mình lên Trái Đất, vì nó nằm gần ngôi sao này, nhưng lực hấp dẫn của

Mặt Trời lại không có ý nghĩa gì tới các vì sao khác, vì chúng tồn tại ở

khoảng cách gấp khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời cả ngàn lần

Nhà thiên văn học người Anh Issac Newton đã giới thiệu một phương trình toán học để tính

toán lực hấp dẫn của các vật thể.

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

Định luật hấp dẫn của Newton làm một cuộc cách mạng cho vật lý

học, đặc biệt cho các nhà nhiên cứu vật lý và thiên văn Nhà văn khoa

học John Gribbin đã viết:

Newton đã thật sự giải thích được lý do trái táo rơi và chuyển động

của Mặt Trăng chỉ bằng một định luật Bằng hành động đó, ông đã

giải tỏa được bí ẩn về quy luật vận động của các thiên thể, và mở

mắt cho các nhà khoa học thực tế về quy luật của các hành tinh và

các ngôi sao quy luật của cả vũ trụ có thể được giải thích bằng

một định luật vật lý, định luật mà từ nghiên cứu tới phòng thí

nghiệm được thực hiện ngay trên Trái Đất.7

Vận Tốc Thoát và Những Ngôi Sao Vô Hình

Một trong những vấn đề liên quan tới định luật hấp dẫn của Newton

đó là nó chắc chắn dẫn đến một khái niệm cơ bản về một thứ mà ngày

nay chúng ta gọi là hố đen Khi nghiên cứu về lực hấp dẫn, một số

thành công tức thì của ông chỉ về điều kiện để thoát khỏi lực hút

Phương trình của Newton chỉ ra tại sao Trái Đất chuyển động quanh

Mặt Trời mà không bị rơi vào nó; cụ thể, là hành tinh chuyển động ra

xa Mặt Trời nhưng chỉ với vận tốc đủ để cân bằng với lực hấp dẫn mạnh

mẽ kia Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu Trái Đất đột ngột tăng tốc, vài nhà

khoa học thắc mắc? Một cách hợp lý, nó sẽ vượt khỏi lực hấp dẫn của

Mặt Trời và thoát khỏi sự ràng buộc của ngôi sao

Vận tốc của một vật thể cần để có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của

vật thể khác gọi là vận tốc thoát Vận tốc thoát của Trái Đất, ví dụ, là

khoảng bảy dặm trên giây, điều đó có nghĩa là một tên lửa hay tàu vũ

trụ phải đạt được vận tốc đó mới thoát khỏi lực hút Trái Đất Ngược lại,

một tên lửa bay với vận tốc bảy dặm trên giây trên Sao Mộc sẽ không

thoát khỏi hành tinh này Nguyên nhân là vì Sao Mộc nặng hơn nhiều so

với Trái Đất bởi vậy nó có lực hấp dẫn lớn hơn nhiều “Vận tốc thoát

của các thế giới khác nhau thì khác nhau,” nhà văn khoa học nổi tiếng

Issac Amov giải thích

Một thế giới nhẹ hơn Trái Đất… có vận tốc thoát trên bề mặt thấp

hơn… Mặt khác, những thế giới nặng hơn Trái Đất sẽ có vận tốc

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

Mộc lại có vận tốc thoát lớn nhất… Trên bề mặt Sao Mộc, vận tốc

thoát lớn hơn 5,4 lần vận tốc thoát trên bề mặt Trái Đất.8

Trong những năm 1700, vài nhà khoa học có những suy nghĩ đáng

kể về ý tưởng rằng vật thể có khối lượng càng lớn sẽ có vận tốc thoát

càng lớn Một trong những nhà nghiên cứu này là nhà thiên văn học

người Anh John Michell, ông đã nghiên cứu một cách tỷ mỉ về đặc tính

của những ngôi sao Rõ ràng có nhiều ngôi sao trên trời có khối lượng

lớn hơn Mặt Trời Michell không biết liệu có giới hạn trên cho kích thước

của các ngôi sao không Nhưng ít nhất theo lý thuyết, ông đề xuất, tồn

tại những ngôi sao với khối lượng kinh khủng, và như vậy, lực hấp dẫn

của chúng sẽ là khổng lồ Thêm nữa, vận tốc thoát của những ngôi sao

lớn như vậy cũng vì vậy mà sẽ rất lớn

John Michell:

Nhà Tiên Phong bị Quên Lãng

Người đầu tiên nhận ra rằng những thiên thể như hố đen có thể tồn tại nhà

khoa học người Anh John Michell bây giờ hầu như bị quên lãng hoàn toàn, trừ

các nhà thiên văn học Trong đoạn trích dưới đây từ cuốn In Search of the Edge

of Time (khảo sát bên rìa thời đại), viết bởi nhà văn khoa học John Gribbin mô tả

về công việc cũng như đóng góp của Michell vào khoa học

Sinh ra vào năm 1724, Michell… vẫn được biết như là cha đẻ của ngành địa chấn học [nghiên cứu về động đất] Ông học ở trường Đại Học Cambrige, tốt nghiệp năm 1752, và lòng đam mê tới động đất của ông được hình thành từ một cơn chấn động thảm khốc tấn công Lisbon (Bồ Đào Nha) năm 1755 Michell đã chứng minh cơn chấn động kia chắc chắn bắt nguồn từ một trận động đất ở tâm nằm dưới Đại Tây Dương Ông trở thành Giáo Sư Woodwarian tại viện Địa Lý Cambrige năm 1762, một năm sau khi làm cử nhân thần học… Michell có nhiều đóng góp cho thiên văn học, bao gồm việc ược đoán thực sự khoảng cách của một ngôi sao ở xa, và đề xuất một số cặp sao thấy vào bầu trời đêm… thật sự là “sao nhị phân,” đang có quỹ đạo quay quanh nhau… Đề cập đầu tiên về các ngôi sao tối [ví dụ, hố đen] được Michell thảo trên giấy tờ khi đọc cuốn Khoa học Hoàng gia…

năm 1783 Đây là một bài luận chi tiết và đồ sộ về cách nghiên cứu tính chất của các ngôi sao, bao gồm khoảng cách, kích thước, khối lượng, bằng cách đo ảnh hưởng của lực hấp dẫn lên ánh sáng phát ra từ bề mặt của chúng

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

Điều này dẫn Michell tới một suy nghĩ vận tốc thoát lớn nhất mà một

ngôi sao có thể có được là bao nhiêu Và với hệ quả của dòng suy luận

logic này, ông tự hỏi không biết điều gì sẽ xảy ra nếu một ngôi sao có

vận tốc thoát đạt tới vận tốc ánh sáng 186.000 dặm trên giây Trong

trường hợp đó, ông kết luận, ngay cả ánh sáng cũng không thoát khỏi

ngôi sao này Trong một bài báo xuất bản năm 1784, ông viết: “nếu

trong tự nhiên thật sự tồn tại các thiên thể mà… đường kính lớn hơn

500 lần Mặt Trời,” chúng sẽ có lực hấp dẫn và vận tốc thoát khổng lồ

Vì vậy, ”tất cả ánh sáng phát ra từ nó sẽ bị hút quay trở lại bằng sức

mạnh khổng lồ của lực hấp dẫn của chính mình.” Và vì ánh sáng không

thể thoát khỏi ngôi sao, “chúng ta không thể có thông tin nhìn thấy

được gì từ nó.”9 Nói cách khác, ngôi sao có thể tối và vì vậy vô hình

trước mắt người và kính viễn vọng Bằng một cách thích đáng, Michell

gọi chúng là “sao tối.”

Michell không phải là nhà khoa học duy nhất ở thời điểm này bị mê

hoặc bởi tác dụng của lực hấp dẫn khổng lồ Trong năm 1975 nhà khoa

học người Pháp Pierre-Simon Laplace đề cập tới tính toán tương tự một

cách độc lập Ông viết

Ở đâu đó trên bầu trời, có thể tồn tại những thiên thể không thể

nhìn thấy được với số lượng lớn, và cũng có thể rất lớn, như các vì

sao Một ngôi sao tỏa sáng với mật độ [dày đặc] như Trái Đất, và có

đường kính gấp hai trăm năm mươi lần Mặt Trời, vì [lực] hấp dẫn

của mình, sẽ không cho các tia [sáng] của nó tới chúng ta; vì vậy có

khả năng các thiên thể lớn nhất trong vũ trụ có thể, vì nguyên nhân

này, mà vô hình.10

Dựa trên những tính toán này, ông gọi những thiên thể giả thuyết

này là les corps obscures, hay “những thiên thể vô hình.”

Không Gian Cong và Giếng Hấp Dẫn

Mô tả của Michell và Laplace về sao tối và các thiên thể vô hình lúc đó

hoàn toàn thuộc về lý thuyết Họ không có một chứng cứ nào về những

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

thiên thể kỳ lạ này, và một lượng lớn các nhà khoa học nghĩ rằng thiên

thể như vậy không thể tồn tại Vì vậy, không ai ngạc nhiên khi những

tiên đoán về hố đen này chỉ là sự tò mò về toán học Và hơn một thể kỷ

sau đó vài nhà khoa học mới bắt đầu suy nghĩ về chúng

Tuy nhiên, đầu thế kỷ hai mươi, sự quan tâm không được báo trước

về khái niệm về hố đen lại được thắp lên khi một nhà khoa học thiên tài

trẻ tuổi người Đức tên Albert Einstein đã đề xuất lý thuyết mới về trọng

lực Một phần của thuyết tương đối rộng của ông, xuất bản năm

1916-1916, đã không chống lại thuyết và phương trình Newton về lực hấp

dẫn của vũ trụ Đúng hơn, phiên bản của Eistein chỉ đơn giản giái thích

cách lực hấp dẫn hoạt động khác với của Newton

Ví dụ, theo Newton hấp dẫn là lực được phát ra từ một vật thể và

bằng một cách nào đó xuất phát từ tâm của chúng Đối với Einstein, lực

hấp dẫn không phải là một lực thật sự mà lại thuộc về khái niệm không

gian, một ý tưởng cách mạng vì nó cho rằng không gian có một cấu

trúc vô hình Trước Eistein, hầu hết các nhà khoa học và vật lý học đều

chấp nhận không gian là trống rỗng và không có tính chất gì để tác

Einstein:

Vượt thời đại về Không Gian và Thời Gian

Không có nhà khoa học nào khác đóng góp cho con người hiểu biết về tính chất

ánh sáng, không gian cong, và sự tồn tại của hố đen hơn nhà vật lý học Albert

Einstein Ông sinh ra ở Ulm, Đức, năm 1879 Không lâu sau đó cha của ông, sản

xuất đồ điện, chuyển gia đình tới Munich, và sau đó là Milan, Ý Khi còn trẻ, Albert

học ở Switzerland và vào năm 1900 tốt nghiệp ở Viện Bách Khoa Zurich

Năm 1905 ông đăng ba bài báo khoa học gây chấn động, một về tính chất ánh

sáng, một về kích thước cơ học của hạt nhân nguyên tử, và một đề xuất các

nguyên tắc cơ bản mà sau này trở thành thuyết tương đối đặc biệt của ông Có lẽ

phần nổi tiếng nhất của thuyết tương đối đặc biệt này là khối lượng và năng lượng

tỷ lệ với nhau Năm 1915 Einstein xuất bản phiên bẳn thuyết tương đối vượt thời

đại của mình, trong đó, ông chỉ ra rằng hấp dẫn là một chức năng của không-thời

gian bốn chiều Trong số các phương trình của thuyết tương đối rộng có một số

tiên đoán về sự tồn tại của hố đen

Einstein nhận giải Nobel vật lý năm 1921 và mất năm 1955 Trong suốt thể kỷ hai

mươi, một thí nghiệm khoa học và phát hiện sau đó đã chứng thực sự tiên đoán

của ông là chính xác tới mức kinh ngạc, bao gồm sự phát hiện ra hố đen Ngày

nay ông được phong là một trong những nhà khoa học lỗi lạc của mọi thời đại

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

động lên các vật thể đi trong nó Ngược lại, Eistein đã cho rằng không

gian có một “kết cấu” vô hình với tính co giãn, hay bẻ cong được

Thêm nữa, Einstien tuyên bố, khối lượng các vật thể di chuyển trong

không gian tương tác với cấu trúc vô hình của nó bằng cách chìm trong

đó và tạo ra chỗ lõm xuống Các nhà khoa học gọi phần lõm hình giếng

kia bằng cái tên “Giếng hấp dẫn.” Theo cách nhìn này, độ sâu của một

giếng thế năng phụ thuộc vào khối lượng của vật thể; rõ ràng, vật thể

có khối lượng càng lớn nó sẽ chìm lún sâu hơn và tạo ra giếng sâu hơn

Bằng cách này, Eistein nói, một vật có khối lượng rất lơn, như các hành

tinh và sao, sẽ bẻ cong cấu trúc co giãn của không gian, và độ cong

này con người gọi là hấp dẫn Arny đơn giản hóa suy luận này:

Tưởng tượng một tấm nệm nước mà bạn đặt một quả bóng chày

lên Quả bóng sẽ tạo ra một vết lõm nhỏ trên bề mặt phẳng của tấm

nệm Nếu một hòn bi được đặt gần quả bỏng chày, nó sẽ lăn theo

đường cong để vào vết lõm Độ cong của vùng không gian quanh

quả bóng chày đã tạo ra “hấp dẫn” giữa quả bóng và hòn bi Bây giờ

ta thay quả bóng chày bằng một quả bowling Nó sẽ tạo ra một phần

lõ lớn hon và hòn bi sẽ lăn lâu hơn và nhanh hơn khi nó tông vào

giữa Chúng ta suy ra được lực hấp dẫn của các thiên thể phụ tuộc

vào độ cong của không gian Hấp dẫn cũng hoạt động tương tự,

theo thuyết tương đối rộng Theo thuyết này, khối lượng tạo ra một

không gian cong, và hoạt động của hấp dẫn là các vật thể chạy theo

đường cong đó

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

Bây giờ thay suy luận này bằng các thiên thể quen thuộc trong

không gian Dựa vào sự khác nhau về kích thước của các hành tinh khi

chúng tiến lại gần nhau Hành tinh nhỏ hơn đi vào đường cong của

giếng hấp dẫn của hành tinh lớn hơn và lăn “xuống dốc” hướng về phía

thiên thể lớn hơn (Điều này tạo ra tác động y hệt như hành tinh lớn

hơn “kéo” hành tinh nhỏ hơn trong thuyết của Newton, vì vậy phương

trình của Newton vẫn được chấp nhận và kết quả của chúng cho hầu

hết các thiên thể vẫn đúng.) Trong thuyết về lực hấp dẫn của Einstein,

nếu hành tinh nhỏ hơn di chuyển đủ nhanh, nó sẽ lăn ra khỏi giếng hấp

dẫn của hành tinh lớn và tiếp tục con đường của mình Nếu nó không di

chuyển bằng vận tốc thoát, thì nó sẽ bị bẫy trong giếng, trong trường

hợp này nó sẽ di chuyển quanh hành tinh lớn hoặc đâm sầm vào nó

Có Khả Năng Tồn Tại Những Vật Thể Siêu Nặng Không?

Lý thuyết mới về không gian con tạo ra một sự khuấy động mạnh

trong giới khoa học Nhiều nhà vật lý học, thiên văn học, và các nhà

Ý tưởng của nhà vật lý học Albert

Eistein về vật chất, năng lượng và

thời gian đã tạo ra một cuộc cách

mạng

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

khoa học khác cảm thấy ý tưởng của Einstein hoàn toàn là điều họ cần

để thử nghiệm và chứng minh lý thuyết Nếu không gian thật sự cong

và các vật thể nặng tạo ra giếng hấp dẫn, họ kết luận, một cái giếng

trọng lực rất sâu có thể làm cong tia sáng Nói cách khác, dù ánh sáng

có đủ nhanh để thoát ra khỏi giếng, cái giếng cũng phải bẻ cong được

ánh sáng đủ nhiều để các nhà khoa học có thể tính toán được

Tấm hình được chụp bởi kính thiên văn không gian Hubble cho thấy một hấp dẫn của một cụm

thiên hà ở xa đã bóp méo và bẻ cong ánh sáng những do những thiên thể này phát ra

Điều họ cần để kiểm tra là một vật thể rất nặng, ít nhất là theo

chuẩn của con người Và vì là vật thể lớn nhất trong Hệ Mặt Trời, Mặt

Trời là sự lựa chọn hợp lý Cuộc thí nghiệm lịch sử đã diễn ra vào 29

Tháng Năm, 1919, trong hiện tượng nhật thực xảy ra ở bờ biển phía tây

Trung Phi “Các ngôi sao sáng hiện ra trên bầu trời ban gần Mặt Trời

đang bị che khuất,” Asimov giải thích, “và ánh sáng của chúng đang

trên đường đến Trái Đất sẽ đi lướt qua Mặt Trời.”12 Sau khi tính toán dự

liệu của lần nhật thực đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra ánh sáng

từ các ngôi sao xa đã bị bẻ cong khi đi qua Mặt Trời Thực tế, ánh sáng

đã bị bẻ cong một lượng gần chính xác như Einstein đã tiên đoán

Thuyết về không gian cong của Eistein đã được chứng thực (Vài thí

nghiệm khác chứng minh tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng của

ông được thực hiện kể từ thời điểm này.) Thuyết tương cũng buộc các

nhà khoa học thay thế câu hỏi được đặt ra từ rất lâu bởi Michell và

Laplace về các vật thể có hấp dẫn cực lớn Thí nghiệm trong lần nhật

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

thực đó đã chứng minh lực hấp dẫn của Mặt Trời đã bẻ cong ánh sáng

một lượng nhỏ Vì vậy, các vật thể nặng hơn sẽ bẻ cong ánh sáng nhiều

hơn Và điều này dẫn đến thuyết có khả năng tồn tại những vật siêu

nặng, siêu đặc Nếu vậy, một vạt như vậy sẽ tạo ra một giếng hấp dẫn

cực sâu, có thể sâu tới nỗi ánh sáng không thoát ra được Năm 1939

nhà vật lý J Robert Oppenheimer và sinh viên của mình George M

Volkoff công bố một bài báo tiên đoàn về sự tồn tại của những ngôi sao

siêu đặc có thể có nhưng giếng hấp dẫn siêu sâu, và thậm chí không

đáy

Tuy nhiên vẫn không có bằng chứng quan sát trực tiếp nào về

những thiên thể kỳ dị như vậy Vì vậy trong nhiều năm sau đó, khái

niệm về các ngôi sao tối và các tác động kỳ lạ của chúng lên không gia

và ánh sáng vẫn nằm trong lĩnh vực khoa học viễn tưởng và điện ảnh

Lần cố gắng đầu tiên về ý tưởng này trên điện ảnh là một chương của

sơri phim truyền hình Star Trek nguyên gốc lần đầu tiên được công

chiếu Năm 1967 Thuyền trưởng Kirk của Star Trek và phi hành đoàn

của mình bắt gặp một thiên thể kỳ lạ như là một “sao tối,” đã trở thành

một lời tiên đoán Vào thời điểm đó, sự quan tâm tới những thiên thể

như vậy được làm sống lại giữa một nhóm các nhà vật lý học, và chỉ vài

tháng sau chương Star Trek được chiếu, nhà vật lý học trường Đại học

Princeton John A Wheerler đã đặt ra thuật ngữ “hố đen.” Cái tên được

mô tả một cách hoàn hảo và rất quyến rũ, và nó lập tức trở nên nổi

tiếng Sau đó, khái niệm về hố đen đã bắt được sự chú ý ngày càng gia

tăng của giới vật lý học, thiên văn học, và các nhà khoa học khác, kể cả

những người hâm mộ khoa học viễn tưởng Như Wheerler sau đó cũng

nhận xét:

Sự xuất hiện của thuật ngữ hố đen năm 1967 bình thường về mặt

thuật ngữ nhưng lại có sức mạnh tâm lý Sau khi cái tên được giới

thiệu, càng ngày càng có nhiều nhà thiên văn học và nhà vật lý học

thiên thể đánh giá hố đen không chỉ là điều tưởng tượng của đầu óc

mà là một thiên thể thiên văn đáng giá để bỏ thời gian và tiền của

để tìm kiếm nó.13

Thực tế, thời gian và tiền bạc của các nhà khoa học trở thành chìa

khóa quan trọng để mở bí ẩn của hố đen Lời dự báo bằng lý thuyết của

các nhà khoa học trong các hội thảo trong gần hai thế kỷ chỉ mới là

bước khởi đầu Bước cần thiết kế tiếp, hay mục tiêu, là: càng có nhiều

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về Hố Đen Don Nardo

nghiên cứu nghiêm túc và tập trung về khái niệm của nó, bao gồm cả

việc hiểu rõ hơn những thiên thể kỳ lạ này từ đâu ra; và một cố gắng

nghiêm túc để tìm ra chúng Từ sau những năm cuối 1960, những mục

tiêu này được lấp đầy bởi một sởi các nghiên cứu và phát hiện thú vị đã

tạo ra những biến đổi và cải thiện quan trọng cho hiểu biết của loài

người về vũ trụ

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo Chûúng 2

Ngöi sao chïët vaâ sûå hònh thaânh höë àen

iên đoán của thế kỷ hai mươi về sự tồn tại của hố đen đã nêu ra

một câu hỏi là bằng cách nào một thiên thể kỳ dị như vậy được hình

thành Qua thời gian, các nhà khoa học bắt đầu nhận ra có nhiều câu

trả lời cho câu hỏi này, dựa vào kích thước của hố đen Suốt từ thời của

Michell và Laplace, các nhà thiên văn học và vật lý học đã tập trung vào

kích thước của thiên thể có lực hấp dẫn lớn Vì vậy nhiệm vụ tìm hiểu

một thiên thể như vậy hình thành như thế nào được tập trung vào vòng

đời và các quá trình vật lý của chúng trong phạm vi các vì sao

Tuy nhiên, phương trình toán học của thuyết tương đối rộng của

Einstein lại cho phép tồn tại hố đen ở mọi kích thước, bao gồm cả

những hố đen rất nhỏ Sau khi John Wheeler đặt ra thuật ngữ hố đen

năm 1967, một số các nhà khoa học bắt đầu đặt ra giả thuyết về những

hố đen siêu nhỏ Một hố đen siêu nhỏ có thể có kích thước của một

nguyên tử Nhưng vật chất của nó có thể đặc đến nỗi nó có thể nặng

tới 100 nghìn tỷ tấn! Và ngay cả nhũng hố đen nhỏ hơn bằng kích

thước của hạt nhân nguyên tử cũng có thể kéo cán cân về khoảng 1 tỷ

tấn

Hố Đen Siêu Nhỏ

Một hố đen nhỏ như vậy có thể không có liên quan gì với kích thước

của các vì sao, hay hố đen của các vì sao Vì vậy sự hình thành của

phiên bàn nhỏ này cũng không thể liên quan gì tới sự sống chết của các

vì sao Vậy lực gì hay quá trình nào có thể tạo ra hố đen siêu nhỏ như

vậy? Trong những năm đầu 1970, nhà vật lý học người Anh Stephen

Hawking đã đưa ra một câu trả lời đáng tin cậy, cụ thể là những thiên

thể nhỏ xíu này đến từ Big Bang một vụ nổ khổng lồ mà lúc đó, hầu

hết các nhà khoa học tin rằng, vũ trụ hiện tại của chúng ta được sinh

ra “Với một lượng lớn vật chất đang bung ra ở khắp mọi nơi,” Isaac

Asimov giải thích,

T

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo

một vài bộ phận của các thứ đang giãn nở [ví dụ, vật chất] có thể va

chạm với nhau Một phần của các vật chất va chạm sau đó được ép

chặt với áp suất cực lớn từ mọi hướng Các vật chất bị ép này sau đó

cỏ thể co lại thành một điểm và sự gia tăng cường độ hấp dẫn đã ép

chúng co lại mãi mãi.14

Hawking và những người khác cho rằng có hàng ngàn hố đen siêu

nhỏ như vậy tồn tại ở khắp nơi trong vũ trụ Nếu vậy, sớm hay muộn gì

một vài trong số chúng sẽ đến một tiểu hành tinh, hành tinh hay các

thiên thể lớn và bị hút lại do lực hấp dẫn của chúng Một cuộc gặp gỡ

như vậy có thể vừa nguy hiểm vừa thê thảm Theo Asmov:

Nếu một hố đen siêu nhỏ va chạm với các thiên thể lớn hơn, nó sẽ

khoan xuyên qua thiên thể đó Nó sẽ nhấn chìm mảnh vật chất đầu

tiên va chạm, giải phóng ra năng lượng đủ lớn để làm nóng chảy và

Stephen Hawking cho rằng các hố đen siêu nhỏ hình thành

từ vụ nổ khổng lồ hình thành nên vũ trụ

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo

bốc hơi phần vật chất trước mặt ngay lập tức Sau đó nó sẽ đi qua

làn hơn nóng, hấp thu nó khi di chuyển và tăng thêm sức nóng, đi ra

khỏi thiên thể đó và trở thành hố đen lớn hơn khi đi vào.15

Đường hầm đi qua một hành tinh do một hố đen siêu nhỏ gây ra

quá nhỏ và quá hẹp đến nỗi còn khó phát hiện hơn cả một đường hầm

do kiến đào trong vườn nữa Nếu một hố đen siêu nhỏ tồn tại, thì các

tác động của chúng lên các thiên thể lớn là rất nhỏ đối với con người và

các thực thể sống khác trong vũ trụ

Ngược lại, các sao hố đen và các khối lượng lớn hơn lại có tác động

lớn đối với vũ trụ và sự sống Và đây là lý do các nhà khoa học cống

hiến rất nhiều thời gian và sức lực trong những năm gần đây để tìm

hiểu xem chúng hình thành như thế nào và tính chất của chúng là gì

Họ nhận ra rằng điều đó đến một quá trình mạnh khủng khiếp hoặc

một sự kiện để đểu nén một lượng vật chất khổng lồ như vậy vào một

không gian cực nhỏ Thêm nữa, năng lượng giải phóng phải lớn gấp

ngàn lần các hiện tượng con người cho là thảm khốc gồm động đất,

núi lửa phun và va chạm của thiên thể va chạm vào bề mặt hành tinh

Thật rõ ràng cho các nhà khoa học rằng chỉ có cái chết mạnh phi

thường của một ngôi sao có thể so sánh với sự hình thành của một sao

hố đen

Vòng Đời của Các Vì Sao

Để hiểu biết các ngôi sao chết đi như thế nào và tạo ra các thiên thể

cực đặc cần một số hiểu biết về các ngôi sao sống như thế nào Cũng

giống như con người chịu vòng đời không thể tránh khỏi, các ngôi sao

sinh ra, sống cuộc sống của mình, và cuối cùng là chết đi Nơi sản sinh

ra một ngôi sao điển hình, bao gồm cả Mặt Trời, là một đám mây khí và

bụi cực lớn trôi nổi trong không gian Những đám mây như vậy bắt đầu

hình thành khi “gió” được tạo ra do các ngôi sao nổ tung thổi các phân

tử khí và bụi ra xung quanh; một số lại rải ra xa hơn nữa, một số khác

lại tập trung lại với nhau Khi một đám mây như vậy tập trung đủ, hấp

dẫn sẽ làm chúng xích lại gần nhau hơn qua thời gian Sự tập trung này

đồng thời tạo ra sức nóng, làm cho khí và bụi càng ngày càng nóng

hơn Sau đó, tâm của đàm mây đủ nóng để nướng một miếng sườn;

sau đó nó đạt đến nhiệt độ đủ để cung cấp cho lò luyện kim; và cuối

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo

cùng, sau vài nghìn năm, nhiệt độc của nhân đám mây trỏ nên đủ nóng

để kết hợp các nguyên tử hydro và từ đó kích thích phản ứng hạt nhân

xảy ra Và ngay lập tức, nhân phát ra ánh sáng chói lòa và năng lượng

khác thổi lớp mây lạnh hơn ra xa, để lại một khối cầu khổng lồ của khí

nóng trắng một ngôi sao mới ra đời

Ngôi sao mới có đủ hydro trong nhân để duy trì phản ứng hạt nhân

trong vài tỷ năm Và trong phần đời dài nhất của mình, nó liên tục phát

ra ánh sáng và nhiệt Nếu các nhân tố khác trong hệ mặt trời của ngôi

sao đó thuận lợi như sự hình thành của một hành tinh ở khoảng cách

chính xác với ngôi sao đó để nước tồn tại ở thể lỏng thì lượng ánh

sáng và nhiệt vừa đủ sẽ tạo điều kiện cho sự sống tồn tại ở hệ mặt trời

đó Nếu không có nguy hiểm đáng kể cho sự sống như vậy một khi ngôi

sao đó còn ở trạng thái ổn định

Lý do để một ngôi ngôi sao ở trạng thái ổn định khá lâu là có hai lực

lớn tồn tại trong thiên thể đó và ngược chiều nhau, tạo ra cân bằng

Một trong hai lực là lực hấp dẫn, làm cho vật chất khối lượng lớn ở lớp

ngoài ngôi sao rơi vào trong, tạo ra một áp suất lớn Mặt Trời “có khối

lượng lớn gấp hàng ngàn lần Sao Mộc,” Begelman và Rees nói Nếu Mặt

Trời là một thiên thể lạnh, “hấp dẫn sẽ nén nó lại với mật độ đặc gấp

triệu lần một vật rắn bình thường Nó có thể… có kích thước cỡ như

Trái Đất, nhưng có khối lượng lớn hơn 330.000 lần.”16

Nhưng như mọi người cũng dễ dàng nhận ra, Mặt Trời không phải là

một thiên thể lạnh Các ngôi sao như Mặt Trời tạo ra một lượng năng

lượng rất lớn, tạo ra một lực chính thứ hai tồn tại trong chúng Phản

ứng hạt nhân trong nhân các ngôi sao tạo ra một lượng nhiệt, ánh sáng

cực lớn và rất nhiều các phần tử nhỏ thoát ra bề mặt Ví dụ, trong Mặt

Trời, mỗi giây nhân sản xuất ra năng lượng bằng 100 triệu trái bom hạt

nhân nổ cùng lúc Khi dòng năng lượng cực lớn này di chuyển ra khỏi

nhân, nó tạo ra một áp suất hướng ra ngoài rất lớn Và áp suất này cân

bằng với lực hấp dẫn hút vào Nhân của Mặt Trời, Begelman và Rees

tổng kết,

có nhiệt độ vào khoảng 15 triệu độ… nóng hơn hàng ngàn lần bề

mặt nóng rực của nó Tại nhiệt độ cao như vậy, hạt nhân nguyên tử

trong Mặt Trời di chuyển với vận tốc hàng trăm kilomet trên giây Áp

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo

suất của nhân nóng này… chống lại tác động [hút vào] của hấp dẫn

trong các ngôi sao như Mặt Trời.17

Nhờ vào cân bằng giữa áp suất đẩy ra và hút vào này, các ngôi sao

như Mặt Trời duy trì được trạng thái của mình trong một khoảng thời

gian dài Các nhà thiên văn học ước đoán rằng Mặt Trời, đã tồn tại ở

trạng thái ổn định vài tỷ năm, sẽ giữ nguyên trạng thái này trong vài tỷ

năm nữa Tuy nhiên, cũng như động vật hay con người, trái bóng nóng

bỏng này không tồn tại mãi Cuối cùng, một ngôi sao cũng phải sử

dụng hết nhiên liệu của mình và tiến tới cái chết, tạo ra một biến cố mà

khi đó hầu hết vật chất của nó bị nén lại một trạng thái cực đặc Trạng

thái này có thể ở ba dạng khác nhau, phụ thuộc vào khối lượng ban

đầu của ngôi sao; các trường hợp đều tạo ra một thiên thể siêu đặc

Hai trong số những thiên thể này sao lùn trắng và sao notron là

những bước đầu trên con đường tiến tới hố đen Thiên thể thứ ba chính

là hố đen

Bước Một: Sao Lùn Trắng

Định mệnh của Mặt Trời là chuyển hóa thành dạng thiên thể thứ

nhất trong ba thiên thể siêu đặc do các vì sao chết tạo ra, một sao lùn

trắng Vài tỷ năm nữa, ngôi sao của chúng ta sẽ bắt đầu cạn kiệt hydro

để làm nhiên liệu cho phản ứng hạt nhân trong nhân của nó Khi hầu

hết hydro hết đi, nhân của nó sẽ đặc hơn và nóng hơn Lượng nhiệt

thêm này sẽ làm cho lớp ngoài của Mặt Trời bị bắn ra ngoài, biến thành

một ngôi sao khổng lồ lớn hơn hiện tại hàng trăm lần; thực tế, bề mặt

của nó sẽ nhận chìm quỹ đạo của Sao Thủy và Sao Kim, phá hủy các

hành tinh này, và bề mặt của Trái Đất (lúc này sẽ là hành tinh trong

cùng của hệ mặt trời) sẽ bị cháy như ở trong lò luyện kim Tuy nhiên,

do bề mặt mới của Mặt Trời sẽ bị kéo căng và rộng hơn trước, nên các

phần của nó sẽ lạnh hơn trước một ít Vì vậy màu của ngôi sao sẽ

chuyển từ màu vàng nóng sang màu đỏ với nhiệt độ thấp hơn Vì các

ngôi sao như vậy nở to và nguội đi nên chúng được gọi là sao khổng lồ

đỏ

Cuối cùng, nhân của ngôi sao Mặt Trời khổng lồ đỏ sẽ hoàn toàn hết

hydro, và tại điểm này nó sẽ bắt đầu đốt nguyên tố nặng nhất tiếp theo

của nó, heli Tất nhiên, heli cũng sẽ hết, và lúc đó ngôi sao sẽ không

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo

còn đốt nhiên liệu để tạo ra phản ứng hạt nhân nữa Khi đó, sự cân

bằng mỏng manh giữ trạng thái của ngôi sao sẽ suy yếu Áp suất

hướng ra của năng lượng phát ra suy giảm, làm áp suất hướng vào của

hấp dẫn chiến thắng “Lực hấp dẫn đã chờ đợi,” Asimov viết, “kéo vào

nhẫn nại và không mệt mỏi trong hàng tỷ năm, và cuối cùng sự kháng

cự lực kéo đó đã sụp đổ.”18

Vụ Nổ trên Sao Lùn Trắng

Khi hình thành từ vụ nổ của các vì sao, sao lùn trắng rắn chắc chầm chậm lạnh

đi và biến mất Tuy nhiên, nếu chúng là một trong hệ sao nhị phân, sao lùn

trắng có thể định kỳ tạo ra các vụ nổ gọi là sao mới (nova), nhà thiên văn học

Thomas T Arny thuộc Trường đại học Amherst giải thích trong cuốn sách nổi

tiếng của mình là Explorations

Nếu một sao lùn trắng gần bạn đồng hành của mình, khí thoát

ra từ sao đồng hành có thể rơi vào trong sao lùn trắng….Đến từ lớp ngoài của sao đồng hành, khí giàu hydro có thể trở thành nhiên liệu cho sao lùn trắng trong một khoảng thời gian ngắn

Lớp khí ngay lập tức đạt tới nhiệt độ cháy của hydro nhưng…

hạt nhân nóng chảy trong khí có thể phát nổ Hydro nổ bắn vào trong không gian và có dạng một lớp vỏ khí nóng nỏ rộng… ánh sáng đó có năng lượng lớn hơn nhiều so với sao lùn trắng Đôi khi những vụ nổ này có thể thấy bằng mắt thường Khi các nhà thiên văn trước đây thấy hiện tượng này, họ gọi chúng là nova, nghĩa Latinh là “sao mới”, vì vụ nổ này có thể tạo ra một điểm sáng xuất hiện trên bầu trời mà ở đó trước đó không có ngôi sao nào thấy được cả.

Lực hấp dẫn mạnh của sao lùn trắng kéo khí và vật chất khác của sao gần đó

Khí và vật chất tích lũy

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo

vỏ sáng gọi là

sao mới

Khi hấp dẫn chiến thắng, sao Mặt Trời khổng lồ đỏ bắt đầu sụp đỏ

Một ít nguyên liệu bên ngoài của nó sẽ thoát ra không gia Nhưng hầu

hết bị giữ lại trong ngôi sao đang suy sụp, chúng hoàn toàn nằm trong

tay của hấp dẫn, cuối cùng sẽ nén những vật chất này thành một sao

lùn trắng một ngôi sao nhỏ, nóng, nhưng chỉ là một quả bóng sáng mờ

có kích thước cỡ vào Trái Đất Một ngôi sao lùn trắng đặc tới nỗi một

thìa vật chất của nó cũng nặng đến một tấn Không đáng ngạc nhiên

khi một thiên thể như vậy tạo ra một giếng hấp dẫn rất sâu và một lực

hấp dẫn rất mạnh Để thoát khỏi một sao lùn trắng, một con tàu vũ trụ

phải đạt tới vận tốc khoảng ba trăm ngàn dặm một giây! (Tất nhiên,

thật là điên rồ khi muốn đậu trên một sao lùn trắng, vì lực hấp dẫn của

nó sẽ nhanh chóng ép con tàu và phi hành đoàn bẹp dí.)

Bước Hai: Sao Notron

Các nhà thiên văn học đã tính được số phận cuối cùng của một ngôi

sao trung bình có khối lượng nhỏ hơn 1.4 lần Mặt Trời sẽ trở thành

một ngôi sao lùn trắng Nhưng những ngôi sao lớn hơn 1.4 lần Mặt Trời

thì sao? Chúng chắc chắn sẽ có hấp dẫn lớn hơn Vì vậy chỉ hợp lý khi

kết cục của chúng sẽ dữ dội hơn và tạo ra một thiên thể đặc hơn cả sao

lùn trắng

Thực tế, một ngôi sao có khối lượng từ 1.4 tới 8 lần Mặt Trời vòng

qua giai đoạn sao lùn trắng để đến với điểm dừng tiếp theo trên còn

đường tới hố đen (Các nhà khoa học vẫn còn bất đồng với nhau về

khối lượng để một ngôi sao trở thành sao lùn trắng Các ước đoán khác

là 1.4 đến 3.2 và 1.4 đến 5 lần khối lượng Mặt Trời.) Ngôi sao nặng hơn

này cũng có những bước đầu giống một ngôi sao cỡ Mặt Trời cạn kiệt

hidro, nở rộng thành một ngôi sao lùn đỏ, và đốt heli Nhưng sau đó,

mọi việc lại xảy ra khác hẳn, như Begelman và Rees giải thích:

Các ngôi sao nặng được tăng sức mạnh ở giai đoạn sống tiếp theo

bằng một chuỗi phản ứng hạt nhân của các nguyên tố càng ngày

càng nặng hơn Khi mỗi nhiên liệu hạt nhân bị cạn kiệt hydro kết

hợp thành heli, sau đó heli lại thành cacbon và oxy, vv… thì phần

bên trong ngôi sao lại càng ngày càng nóng… Quá trình này có thể

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo

tạo ra tới sắt Ở giai đoạn này, năng lượng giải phóng ra từ việc tạo

ra nguyên tử hạt nhân nặng hơn chốn lại sự suy sập của hấp dẫn

Nhưng không có phản ứng hạt nhân nào có thể tạo ra năng lượng từ

sát; sát là điểm cuối của con đường hạt nhân của một ngôi sao Sự

việc xảy ra tiếp theo hiện tượng ngoạn mục nhất từng được biết tới

trong thiên văn học… Khi không còn phản ứng hạt nhân nào có thể

tạo ra năng lượng từ sắt, nhiên liệu cạn kiệt và nhân thình lình co lại

khủng khiếp… trong một phần nhỏ của giây… Mật độ dày đặc của

nhân sụp đổ này lớn đên nỗi proton và electron [hai phần tử mang

điện của nguyên tử] kết hợp với nhau tạo ra notron, phần tử không

mang điện.19

Thiên thể sáng tại tâm Tinh Vân Con Cua là một pulsar được phát hiện vào năm 1968

Những thiên thể như vậy được gọi là sao notron

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo

Vì một thiên thể như vậy có cấu tạo hầu như hoàn toàn là notron

(tạo ra một vật mà nhiều nhà khoa học gọi là neutronium,) nên nó

được gọi là sao notron

Sự suy sập tạo ra một ngôi sao notron mạnh mẽ tới nỗi nó nổ ra một

biến cố thứ hai một vụ nổ khủng khiếp Trong vụ bùng nổ này, gọi là

siêu sao mới, một lượng lớn các phần tử ở lớp ngoài của ngôi sao bị

bắn ra không trung Các phần tử này hình thành một lớp vỏ khí, thường

được gọi là tàn dư siêu sao mới, nó nở rộng ra ngoài trong hàng ngàn

thậm chí hàng triệu năm, và càng ngày càng mỏng đi (Nó cũng mờ đi,

chỉ trừ khi được thắp sáng bởi các ngôi sao mà nó đi qua.)

Phần khối lượng còn lại của ngôi sao ban đầu giờ đã bị nén lại trong

một trái banh neutronium có đường kính khoảng hai mươi dặm, bằng

cỡ của một thành phố lớn Vật chất quá đặc đến nỗi một muỗng vật

chất trên đó nặng ít nhất vài nghìn tỷ tấn Hơn nữa, vận tốc thoát của

một ngôi sao như vậy vào khoảng 125.000 dặm trên giây, khoảng hai

phần ba vận tốc ánh sáng

Tất cả điều này đều khá thuyết phục trên lý thuyết Nhưng các nhà

thiên văn học không có một bằng chứng thực tế nào về sự tồn tại của

một ngôi sao notron cho tới những năm cuối 1960, khi những thiên thể

gọi là pulsar bắt đầu được phát hiện Ví dụ, năm 1968, các nhà khoa

học phát hiện ra một thiên thể kỳ lạ trong Tinh Vân Con Cua Nằm ở

chòm sao Taurus, con bò, đám mây sáng, đang nở rộng này là tàn dư

của siêu sao mới xuất hiện năm 1054 và được ghi chép lại bới các nhà

quan sát Trung Quốc và Nhật Bản Các nhà thiên văn học hiện đại lưu ý

rằng thiên thể tại tâm của tinh vân đầu đặn phát ra một lượng lớn, hay

nhịp đập, bức xạ điện từ khoảng ba mươi lần trên giây Để cho phù

hợp, họ đặt tên cho những thiên thể tương tự như vậy là pulsar (Từ

pulses là nhịp đập.)

Thật rõ ràng là các pulsar là sao notron, chúng tự quay với vận tốc

đáng kinh ngạc Sự tự quay liên tục này tạo ra do năng lượng cuốn vào

liên tục được tạo ra trong lúc ngôi sao suy sập thành một trái banh cực

đặc Giải thích lý do một sao notron lại phát ra năng lượng nhịp nhàng,

nhà thiên văn học nổi tiếng Herbert Friedman viết:

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo

Khi một sao notron suy sập, nó đồng thời cũng kéo từ trường của

ngôi sao ban đầu theo nó cho tới khi tập trung được một tỷ lần tại

bề mặt của sao notron Trong tình trạng từ trường cực mạnh bị nén

chặt như vậy, plasma [khí nóng] tại hai cực từ sẽ bị bắn ra xung

quanh theo ngôi sao quay tròn Lượng plasma cuộn tròn này có thể

tạo ra [một] sóng radio có định hướng cao [ví dụ, bức xạ điện từ

phát ra từ một vị trí xác định trên ngôi sao] và sóng này sẽ xoay tròn

và bắn vào không gian đèn pha trên nóc của một ngọn hải đăng Khi

sóng radio quét qua Trái Đất, các kính viễn vọng vô tuyến của chúng

ta sẽ ghi nhận được ánh sáng lặp đi lặp lại này.20

Cái Chết Mau Lẹ trên một Sao Notron

Sao notron có lực hấp dẫn cực lớn, nó có thể xé toạc bất cứ vật thể sống

nào chỉ trong một phần nhỏ của giây, như được giải thích bởi nhà khoa

học vĩ đại Isaac Asmov trong quyển sách của ông The Collapsing Univer

(vũ trụ sụp đổ)

Một thiên thể có khối lượng của Mặt Trời nếu sập thành một sao notron thì chỉ có đường kính là 14 kilomet Một vật thể trên bề mặt của nó bây giờ chỉ cách tâm bằng 1/100.000 khi nó ở trên bề mặt Mặt Trời trước đây Tác động thủy triều trên bề mặt sao notron bây giờ gấp 100.000X100.000X100.000 lần trên bề mặt Mặt Trời Một người cao hai met đứng trên sao notron và nếu không bị ảnh hưởng bởi bức xạ của nó, nhiệt, và trọng lượng thì vẫn bị xé toạc ra do lực ly tâm nặng 18 tỷ kylogam hướng

từ tâm ra, và tất nhiên con người, hay bất cứ thứ gì khác,

sẽ bay ra ngoài với trạng thái là những hạt bụi.

Bước Ba: Hố Đen của Các Vì Sao

Các nhà khoa học hiện nay biết rằng những ngôi sao notron như sao

trong Tinh Vân Con Cua không phải là từ cuối cùng trong cây chuyện

khủng khiếp của sự suy sập của các vì sao Danh hiệu này phải thuộc

viề hố đen Ánh sáng phải rất khó khăn để thoát khỏi giếng hấp dẫn

của hố đen, vì vậy theo cảm giác nó đủ điều kiện để là hố đen Thực tế,

John Gribbn nói, “Một sao notron đang ngồi sát ngưỡng cửa để trờ

thành một hố đen.”21 Tuy nhiên, nhân tố chính để phân biệt hố đen với

sao notron là không có ánh sáng nào có thể thoát khỏi hố đen: ánh

Ngôi Sao Chết và Sự Hình Thành Hố Đen Don Nardo

sáng và mọi thứ khác khi đến quá gần hố đen sẽ bị bẫy lại trong giếng

hấp dẫn của nó mãi mãi

Một sao hố đen (thuật ngữ dùng để phân biệt với các hố đen siêu

nhỏ-ND) hình thành từ sự suy sập của một ngôi sao có khối lượng lớn

hơn Mặt Trời tám lần Lực cực mạnh từ sự suy sập của vật chất làm nó

vượt qua trạng thái của sao lùn trắng và sao notron và nén vật chất tới

dạng đặc hơn Thực tế, vật chất liên tục rớt xuống giếng hấp dẫn ngôi

sao phần nào đó như là một cái chết bất tận Lý do là giếng hấp dẫn

của hố đen như là một cái hố không đáy, ở đó không có gì có thể thoát

được

Không ngạc nhiên, thiên thể siêu đặc đặc nhất này ép một lượng vật

chất siêu lớn vào một thể tích cực nhỏ trong không gian Một sao hố

đen nhỏ đến mức kinh ngạc Một thiên thể được hình thành từ một ngôi

sao có khối lượng gấp tám lần Mặt Trời lại chỉ có kích thước khoảng

bằng một căn nhà nhỏ Điều quan trọng cần nhớ là hầu hết vật chất

của sao ban đầu vẫn còn nằm trong hố đen (Một ít vật chất của nó bị

bắn ra không gian trong trạng thái siêu sao mới xảy ra cùng lúc với sự

suy sập của ngôi sao.) Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn của thiên thể

này gần bằng với lực hấp dẫn của ngôi sao ban đầu Tất của các hành

tinh quay quanh ngôi sao trước khi suy sập sẽ tiếp tục quay quanh hố

đen, chúng sẽ không bị bắt và phá hủy một khi không đến nó quá gần

Tuy nhiên sự tồn tại của hành tinh và sự tồn tại của sụ sống trên đó

là hai việc hoàn toàn khác nhau Sự sống tồn tại trên một hành tinh

quay quanh một ngôi sao trở thành hố đen sẽ chết do bức xạ điện từ

cực mạnh giải phóng ra trong vụ suy sập khủng khiếp và siêu sao mới

Và mọi sự sống còn sót lại trong vụ tai nạn này cũng sẽ nhanh chóng

chết đi do lạnh sau khi ngôi sao dừng phát ra ánh sáng và nhiệt Rõ

ràng, sự hình thành của một sao hố đen là sự kiện chết người khủng

khiếp nhất trong tự nhiên

Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của Hố Đen Don Nardo Chûúng 3

Tñnh chêët vaâ ûáng duång tiïìm taâng cuãa höë àen

hư một ngôi sao, hành tinh và các thiên thể bình thường khác, hố

đen, các nhà khoa học đã phát hiện ra được chúng trong những

năm gần đây, có những tính chất vật lý để phân biệt chúng với những

thứ khác Vì tính chất phi thường của hố đen, đặc biệt là chúng đen và

vô hình, nên có rất ít tính chất của chúng có thể đo đạc được từ bên

ngoài “Từ bên ngoài,” John Gribbin giải thích,

bạn có thể [tính toán] khối lượng của hố từ lực hấp dẫn và vận tốc

tự quay của nó Nếu nó có mang điện tích, bạn cũng có thể đo đạc

được Nhưng những… tính chất đó là tất cả những gì bạn có thể đo

đạc được Không có cách nào nói loại vật chất gì đi vào đó trước khi

bị nuốt gọn… dù đó là một ngôi sao, một giọt nước, hay một gói đồ

ăn đông lạnh Không thể phân biệt một hố đen làm từ vật chất của

các sao với hố đen làm từ cái gì khác, để biểu diễn cho ý này câu

“hố đen không có tóc [không có tính chất vật lý dễ phân biệt, hữu

hình],” được đặt bởi [John] Wheeler và đồng sự của mình là Kip

Thorne trong những năm đầu 1970.22

Tuy nhiên, dù hố đen “không có tóc,” chúng cũng thể hiện một tính

chất rõ ràng khi chúng tương tác với vũ trụ quanh chúng Khi quan sát

những hoạt động này, các nhà khoa học có thể đặt ra các giả thuyết và

tính toán những tính chất không thể thấy hay tính toán trực tiếp của hố

đen Và càng nhiều người nghiên cứu những thiên thể kỳ lạ này, họ sẽ

càng có khả năng khám phá những bí mật giấu kín của vũ trụ Hơn

nữa, nghiên cứu càng nhiều càng tốt những tính chất của hố đen có thể

mang đến nhiều lợi ích cho con người Một ngày nào đó chúng ta có thể

khai thác và tận dụng một ít năng lượng vô tận tạo ra từ những thiên

thể này

Tính Toán Khối Lượng và Bán Kính của một Hố Đen

Tính chất đầu tiên và chắc chắn nhất có thể đo đạc được đó là khối

lượng của hố đen Rõ ràng, hố đen phải có khối lượng rất lớn và đặc, vì

N

Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của Hố Đen Don Nardo

mỗi hố đen có hầu hết vật chất của một ngôi sao khổng lồ bị nén lại

trong một vùng không gian nhỏ quá mức tưởng tượng Vậy làm thế nào

các nhà khoa học trên Trái Đất có thể đo được khối lượng của một hố

đen hay các thiên thể khác nằm cách xa chúng ta hàng nghìn tỷ

kilomet? Điều đó còn phụ thuộc vào việc có ngôi sao nào hay các thiên

thể lớn nằm gần hố đen hay không Nếu nó trôi nổi trong không gian

một mình, cách xa các thiên thể khác, các nhà khoa học không có cách

gì có thể đo được khối lượng của chúng cả

Kip Thorne thuộc Viện Công Nghệ California là một trong những chuyên gia hàng đầu về hố

đen và tính chất kỳ lạ của chúng

Ngược lại, nếu hố đen và một ngôi sao quay quanh nhau (thực ra,

chúng quay quanh một tâm khối chung), các nhà khoa học có thể dùng

các công thức cho lực hấp dẫn của vũ trụ để tính khối lượng của chúng

Đầu tiên, dùng các dụng cụ nhạy và toán học, họ đo khoảng cách giữa

hai thiên thể Sau đó họ tính vận tốc quỹ đạo (vận tốc chúng đi trên

quỹ đạo của mình) Cuối cùng, họ kết hợp chúng lại vào một phương

tình và xác định khối lượng Như Thomas Arny nói, cách thức này “có

thể được dùng để đo khối lượng của bất kỳ thiên thể nào quay quanh

một thiên thể khác Như vậy, hấp dẫn trở thành công cụ để đo khối

Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của Hố Đen Don Nardo

lượng của các vật thể thiên văn.”23 Trong trường hợp hố đen, các nhà

khoa học thường biểu diễn khối lượng của chúng bằng bội số của khối

lượng Mặt Trời Một hố đen được cho là có khối lượng bằng 8, 12, 20

hay con số khác của khối lượng Mặt Trời

Khối lượng đo được của hố đen có tác động trực tiếp tới tính chất tự

nhiên khác của hố đen, những tính chất không đo được Một trong số

đó là độ lớn của bán kính Schwarzschild của nó Con đường đơn giản

nhất để biết được tính chất cơ bản này của hố đen là nhìn trực tiếp cái

hố di chuyển trong không gian Qua thời gian, nó gặp khí, bụi, tiếu

hành tinh, và các dạng khác của vật chất, chúng sẽ bị hút bởi lực hấp

dẫn khổng lồ của nó Khi vật chất đến đủ gần, nó sẽ bị xé toạc ra thành

các nguyên tử; su đó bị nhận chìm vào hố đen, tại đó các mảnh vụn

cuốn xuống giếng hấp dẫn không đáy và không bao giờ được nhìn thấy

lần nữa

Định Mệnh Cắt Ngắn một Sự Nghiệp Thiên Tài

Nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild, sinh ra vào năm 1973, đã đóng góp

chính cho sự hiểu biết về các thiên thể siêu đặc và tính chất của chúng đối với không

gian và thời gia Ông trở thành giám đốc Đài Quan Sát Vật Lý Học Thiên Thể ở Potsdam

năm 1909 Năm 1915, khi phục vụ cho đất nước trong Thế Chiến I, ông nghe nói đến

công trình của Einstein về thuyết tương đối rộng Schwarzschild liên lạc với Einstein và

liên tục thông tin về cố gắng của mình về việc giải thích dạng hình học của không thời

gian xung quanh một thiên thể siêu đặc ở trạng thái một điểm, hay còn gọi là điểm kỳ

dị Trong số những khám phá từ phương trình toán học của Schwarschild là điểm kỳ dị

có thể cách chân trời sự kiện một khoảng xác định, khoảng cách mà sau này các nhà

khoa họ đã đặc tên là bán kính Schwarzschild để vinh danh ông Đáng tiếc, ông mắc

một căn bệnh ngoài dai trong quân ngũ và mất Eisten trình bày ý tưởng chấn động của

bạn mình cho hội đồng khoa học chỉ hai tháng trước khi Schwarzschild mất vào tháng

năm 1916 ở tuổi bốn hai

Phần cốt yếu của kịch bản hủy diệt này là, trên đường đi vào hố

đen, vật chất sẽ đi qua cái gọi là “điểm không quay lại,” các nhà khoa

học gọi nó là chân trời sự kiện Khi vật chất còn ở ngoài chân trời sự

kiện, nó vẫn còn cơ hội thoát thân Tuy nhiên, một khi đã vượt qua

chân trời sự kiện, nó sẽ biến mất trong giếng hấp dẫn của hố đen

Khoảng cách từ tâm của một hố đen, gọi là điểm kỳ dị, tới chân trời sự

kiện là bán kính Schwarzschild, được đặt theo tên nhà thiên văn học

người Đức Karl Schwarzschild, người phát minh ra nó vào năm 1915

Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của Hố Đen Don Nardo

Các phương trình toán học cho thấy chắc chắn bán kính này thay đổi

tùy theo khối lượng của hố đen Hố càng nặng, bán kính Schwarzschild

càng dài, và ngược lại, hố có khối lượng càng nhỏ, bán kính càng ngắn

Một hố đen có khối lượng Mặt Trời sẽ có bán kính Schwarzschild bằng

1,86 dặm; và một hố đen có khối lượng bằng mười lần khối lượng Mặt

Trời sẽ có bán kính khoảng 20 dặm Vì vậy, trong trường hợp thứ hai,

điểm không quay lại cho bất cứ vật chất nào đi đến gần hố đen nằm

cách điểm kỳ dị, hay tâm, 20 dặm

Đặt sự Tự Quay lên Hố Đen

Karl Schwarzschild trình bày phương trình của mình đối với một hố

đen được giả thuyết là không tự quay quanh trục Vì vậy, các nhà khoa

họ họi một hố đen giả thuyết không quay là hố đen Schwarzshild Kiểu

hố này khá tốt khi dùng để tính toán khoảng cách từ điểm kỳ dị tới

chân trời sự kiện Nhưng nó có chính xác khi biểu diễn trạng thái của

một hố đen thực sự không? Hầu hết các nhà vật lý cho là không Lý do

là vì họ đã biết rằng tất cả các thiên thể quan sát được trong vũ trụ đều

vừa quay quanh trục và tạo ra một tính chất đo đạc được là momen

động lượng

Momen động lượng là xu hướng của một vật thể đang quay tiếp tục

giữ sự tự quay đó Nếu vật thể đó lớn hơn hay nhỏ đi, năng lượng quay

ban đầu của nó sẽ vấn được bảo toàn nhờ điều chỉnh vận tốc quay cho

thích hợp Ví dụ, khi một vận động viên trược băng đang xoay tròn mà

dang rộng tay ra, bằng cách làm cho cơ thể lớn ra, vận tốc quay của

người đó cũng giảm xuống; ngược lại, khi người đó ép tay vào người,

vận tốc quay sẽ tăng lên

Hiệu ứng này có thể thấy được khi một sao lớn suy sập thành sao

notron Ngôi sao ban đầu tự quay với vận tốc xác định, có lẽ là một

vòng trên hai mươi hay ba mươi ngày Sau khi suy sập, momen động

lượng của nó được chuyển sang sao notron nhỏ hơn nhiều, bây giờ nó

quay nhiều vòng trên giây Điều này là bằng chúng cho thấy hố đen

cũng đi theo cảnh tương tự Isaac Asmov tóm tắt như sau:

Khi một ngôi sao suy sập, để được như vậy, vận tốc tự quay phải

tăng lên Sự suy sập càng nhiều, vận tốc tự quay của nó càng lớn

Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của Hố Đen Don Nardo

Một sao notron mới có thể quay hàng ngàn vòng trên giây Hố đen

phải quay nhiều hơn vậy Không có cách gì chối cãi được điều đó

Chúng ta có thể nói mọi hố đen đều có khối lượng và momen động

lượng.24

Như vậy, cái chúng ta cần sau khi Schwarzschild công bố tính toán

của mình cho các hố đen không quay là một đáp án toán học biểu diễn

dùng được cho các hố đen quay, vì người ta tin rằng mọi hố đen đều

quay Mục tiêu này đạt được vào năm 1963 nhờ nhà thiên văn học New

Zealand tên Roy P Kerr, sau đó ông làm việc cho Trường đại học

Texas Kể từ đó, để vinh danh Kerr, các nhà khoa học thường gọi các

hố đen quay là hố đen Kerr Sự xác nhận rõ ràng cho các thiên thể này

đến vào Tháng Tám 2001, khi các nhà khoa học ở Goddard Space Flight

Maryland) của NASA đã phát hiện ra một hố đen quay nằm các Trái Đất

khoảng mười ngàn năm ánh sáng (Một năm ánh sáng là khoảng cách

ánh sáng bay trong một năm, vào khoảng 6 nghìn tỷ dặm.)

Đĩa Bồi Thêm và Các Dòng Khí

Tính toán của Kerr thừa nhận điểm kỳ dị, chân trời sự kiện, và bán

kính Schwarzschild, và các tính chất khác của hố đen rút ra từ tính toán

của Schwarzschild Tuy nhiên, tốc độ quay cực nhanh vốn có trong một

hố đen Kerr tạo ra một tình cảnh phức tạp và năng động hơn

Đầu tiên, điểm kỳ dị không phải là một điểm duy nhất, mà là một

vùng không gian có dạng như một cái nhẫn Thứ hai, chân trời sự kiện,

tạo ra vành đai quanh hố đen và vùng không gian ban đầu bên trong

nó, quay cùng hướng với sự tự quay của điểm kỳ dị Và khi di chuyển,

nó kéo một vùng không gian theo nó Kip Thorne giải thích:

Sự tự quay của hố kéo không gian xung quanh nó [có dạng như

vòng của một cái kèn trumpet] và buộc nó phải quay theo như dạng

cơn lốc… Cách xa tâm lốc, không khí quay chậm, và tương tự, cách

xa chân trời sự kiện của hố, không gian quay chậm Gần tâm của lốc

không khí quay nhanh, và cũng tương tự, gần chân trời sự kiện

không gian quay nhanh Tại chân trời sự kiện, không gian bị khóa

Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của Hố Đen Don Nardo

chặt với chân trời Nó quay với vận tốc đúng bằng vận tốc quay của

chân trời.25

Hình vẽ này biểu diễn đĩa bồi thêm và dòng khí của một hố đen

Các dòng khí có thể hình thành do một lực điện từ cực mạnh

Cùng lúc đó, bất cứ vật chất nào nằm ở vùng không gian xoay đó

cũng bị kéo di chuyển theo Vật chất quay bên ngoài hố đen và tạo ra

dạng đĩa mỏng vật chất có hình dáng tương tự những mảnh đá và băng

tạo ra vành khuyên mỏng quanh Sao Thổ Các nhà khoa học gọi cái đĩa

xoay tròn này là đĩa bồi thêm (accrection disk)

Vật chất trong đĩa bồi thêm đóng vai trò quan trọng trong một tác

động khác của sự tự quay của hố đen sự hình thành của hai dòng khí

nhỏ nhưng mạnh bị bắn ra ở một số hố đen (Trong thực tế, các dòng

khí không phát ra từ tâm hố đen; thay vào đó, chúng khởi nguồn từ cái

đĩa, bên ngoài chân trời sự kiện.)

Các nhà thiên văn học đưa ra một số giải thích đáng tin để giải thích

cho sự hình thành các dòng khí này Một trong số đó là áp suất khủng