Bên trong lỗ đen vũ trụ là gì

Hố đen vũ trụ “nuốt chửng” mọi thứ đi qua nó, đến ánh sáng cũng không có đường thoát. Vậy bên trong hố đen vũ trụ có gì? Hay nó chỉ là cái lỗ không đáy?

Hố đen vũ trụ (bklack hole) là một vùng trong không-thời gian mà trường hấp dẫn ngăn cản mọi thứ, cả ánh sáng cũng không 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.

Các vụ nổ của các ngôi sao lớn được cho là tạo ra hố đen vũ trụ – những cái giếng trong cấu trúc không – thời gian.

Tâm của một hố đen vũ trụ được các nhà vật lý gọi là “điểm kỳ dị” (singularity), hay là một điểm mà một lượng cực lớn vật chất được nghiền thành một số lượng không gian nhỏ vô hạn.

Xung quanh hố đen là một mặt xác định bởi phương trình toán học gọi là chân trời sự kiện, mà tại đó khi vật chất vượt qua nó sẽ không thể thoát ra ngoài lỗ đen được.

Được gọi là “đen” bởi vì nó hấp thụ mọi bức xạ và vật chất hút qua chân trời sự kiện, 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 không để cho một thứ gì thoát ra.

Theo lý thuyết, điểm kỳ dị là một điểm của không gian mà tại đó, mật độ vật chất cũng như độ cong của không – thời gian là vô cùng. Có nhiều loại kỳ dị: kỳ dị lỗ đen, kỳ dị trần trụi, kỳ dị Vụ nổ lớn… Ở điểm kỳ dị này, các định luật khoa học và khả năng tiên đoán tương lai đều không dùng được nữa.

Về mặt kỹ thuật, điều này có nghĩa là độ cong của không gian hoặc trọng lực được nâng cao được nhìn thấy bởi các nhà khoa học do sự hiện diện của những tập hợp vô cũng lớn như những hành tinh và các ngôi sao.

Giống như cách một miếng cao su được kéo dãn xung quanh một quả bóng bowling, những đối tượng vô cùng lớn có thể gây ra không – thời gian cong xung quanh chúng. Những đối tượng càng lớn, độ cong càng lớn.

Giả thiết đầu tiên được Einstein đưa ra là không một nơi nào tác động này khắc nghiệt hơn so với một lỗ đen, nơi trung tâm đại diện cho một đường cong vô cùng. Giống như một hố không đáy trong một tấm cao su, những ảnh hưởng trở nên vô cùng lớn khi các đối tượng tiến sâu vào bên trong.

Quanh điểm kỳ dị, các hạt và vật liệu được nén. Khi vật chất đi vào hố đen, mật độ của những vật chất này trở nên vô cùng lớn vì nó phải vừa với điểm, dựa theo phương quá nhỏ đến nỗi không có kích thước. Một số nhà khoa học đã tranh luận về việc liệu khái niệm lý thuyết mô tả lỗ đen vũ trụ có chính xác hay không, có nghĩa là liệu rằng chúng thực sự tồn tại.

“Không ai có thể chắc chắn rằng điểm kỳ dị của họ không mô tả một thực tại vật lý”, Hossfelder nói với Life’s Little Mysteries. Nhưng hầu hết các nhà vật lý sẽ nói rằng điểm kỳ dị như giả thuyết của phương trình, không thực sự tồn tại. Nếu các điểm kỳ dị có thực, điều này có nghĩa là “mật độ năng lượng là vô cùng lớn tại một thời điểm”, chính xác là trung tâm các hố đen./.

Trên lý thuyết, có rất nhiều loại hố đen: loại có điện tích hoặc không, một số đứng yên hoặc quay, vài hố đen được bao quanh bởi vật chất, một số lại lơ lửng trong không gian trống rỗng.

Vài loại hố đen đã được chứng minh có thật. Hố đen quay và bao quanh bởi vật chất rất phổ biến, thậm chí đã được chụp lại.

Tuy nhiên, một số loại hố đen chỉ mới tồn tại trên lý thuyết. Dù vậy, các nhà khoa học vẫn rất chú ý tìm hiểu các vật thể bí ẩn này. Bằng cách tìm hiểu các cơ sở toán học của hố đen, ta có thể nhận ra những mối quan hệ, tương quan với các lý thuyết vật lý nhằm áp dụng cho thực tế.

Trong hố đen siêu dẫn, chân trời bên trong và cả các hố sâu đều bị phá vỡ. Ảnh: Livescience.

Chất siêu dẫn 3 chiều

Hố đen tích điện nằm trong không gian anti-de Sitter là loại hố đen rất thú vị, dù chỉ tồn tại trên lý thuyết. Không gian anti-de Sitter là không gian hyperbolic có độ cong âm, như một cái yên ngựa.

Dù hố đen tích điện chưa được chứng minh là có thật, từ nghiên cứu các hố đen này, giới khoa học sẽ hiểu hơn về hố đen quay đã được chứng minh có trong thực tế. Cả hai loại có nhiều điểm tương đồng, bổ trợ nhau trong các tính toán.

Các nhà vật lý phát hiện rằng khi các hố đen này nguội, chúng hình thành "đám mây" trường lượng tử xung quanh bề mặt. Đám mây này dính vào bề mặt, bị lực hấp dẫn của hố đen kéo vào trong rồi lại bị đẩy ra ngoài bởi lực đẩy electron của chính hố đen đó. Đám mây trường lượng tử hoạt động ổn định trên một bề mặt còn được gọi là chất siêu dẫn.

Các chất siêu dẫn có ứng dụng trong đời thực. Vì vậy, việc nghiên cứu chất siêu dẫn hoạt động như thế nào trong những tình huống đặc biệt như thế giúp chúng ta hiểu được cấu trúc toán học của chúng, từ đó áp dụng vào thực tế.

Các hố đen tích điện nằm trong không gian bình thường của vũ trụ thường có vài vùng kỳ dị bên trong. Nằm phía trong chân trời sự kiện (ranh giới xung quanh hố đen, hút mọi vật chất vào trong) là vùng chứa năng lượng lượng tử đậm đặc được gọi là chân trời bên trong. Phía trong nữa là hố sâu nối với hố trắng, theo lý thuyết.

Mặt cầu của không gian anti-de Sitter có độ cong dương, mặt có hình yên ngựa là ví dụ của không gian có độ cong âm. Ảnh: Phys.

Trong thực tế, các nhà khoa học vẫn chưa thể khẳng định hố sâu có tồn tại, bởi các định luật toán học không giải đáp được sự tồn tại của các vật sau chân trời sự kiện. Tuy nhiên, các hố đen tích điện bao quanh bởi không gian anti-de Sitter, hay còn gọi là hố đen siêu dẫn, không gặp phải vấn đề này.

Trong hố đen siêu dẫn, chân trời bên trong và cả các hố sâu đều bị phá vỡ. Thay vào đó, không gian bên trong các hố đen này dao động theo hiệu ứng Josephson như các hạt trong chất siêu dẫn bình thường.

Hiệu ứng Josephson là hiện tượng của dòng siêu dòng, tức dòng điện chạy vô thời hạn mà không có bất kỳ điện áp nào được áp dụng trên thiết bị có tên ngã ba Josephson, gồm hai chất siêu dẫn được ghép bởi một liên kết yếu.

Vũ trụ fractal

Sau khoảng không - thời gian rung động là vùng sâu nhất của hố đen siêu dẫn. Các nhà nghiên cứu phát hiện những vùng trong cùng này có thể tạo ra vũ trụ đang giãn nở một cách kỳ lạ, với không gian kéo dài, biến đổi theo tỷ lệ và hướng khác nhau.

Hơn nữa, tùy thuộc vào nhiệt độ của hố đen, một số vùng không gian này có thể kích hoạt vòng rung động mới. Sau đó, nó lại tạo ra vùng không gian mở rộng hơn, kích hoạt vòng rung động khác, cứ lặp đi lặp lại như vậy cho đến khi tạo ra vòng rung động quy mô nhỏ hơn.

Cần có thêm những lý thuyết mới về lực hấp dẫn để giải thích những gì xảy ra bên trong điểm kỳ dị. Ảnh: Livescience.

Điều này tạo ra vũ trụ có hình fractal phân dạng và lặp lại không ngừng, từ quy mô lớn đến quy mô nhỏ. Tại trung tâm của hố đen hỗn độn và lạ thường này là điểm kỳ dị, điểm có mật độ vô hạn, ngôi nhà của mọi vật chất từng rơi vào hố đen.

Fractal là dạng hình học thường gấp khúc trên mọi tỷ lệ phóng đại, có thể tách ra thành từng phần với mỗi phần giống như hình tổng thể song ở tỷ lệ thu nhỏ hơn. Đây là dạng do nhà toán học Mandebrot sáng tạo.

Tuy nhiên, với các công thức toán học và định luật vật lý hạn chế, giới khoa học vẫn chưa giải thích được điều gì đang diễn ra tại điểm kỳ dị. Do đó, cần có thêm thời gian để những lý thuyết mới bổ túc cho lực hấp dẫn được trọn vẹn, điều có thể không bao giờ là đủ.

Theo Zing

J2157 là Hố đen phát triển nhanh nhất trong Vũ trụ. Vật thể này có tuổi đời tương đương với Vũ trụ và lớn hơn Mặt Trời 34 tỷ lần. Sẽ ra sao nếu Hố đen này có thể lại gần và 'nuốt' Mặt Trời?

Hố đen - khu vực trong vũ trụ có lực hấp dẫn mạnh đến mức không gì có thể thoát ra ngoài - là chủ đề nóng hổi hiện nay. Giáo sư Chris Impey chỉ ra, hố đen đáng sợ vì 3 lý do. Nếu bất cứ thứ gì rơi vào một hố đen hình thành khi một ngôi sao chết đi, vật đó sẽ bị xé vụn. Những hố đen khổng lồ quan sát được ở trung tâm của tất cả các thiên hà đều "phàm ăn" vô cùng. Và cuối cùng, hố đen là nơi các quy luật vật lý vô hiệu. 

Hố đen là thứ đáng sợ nhất trong vũ trụ. Ảnh: Đại học Arizona

Nghiên cứu hố đen hơn 30 năm, tập trung vào các hố đen siêu khối lượng ở trung tâm của các thiên hà, giáo sư Đại học Arizona lưu ý, hầu hết thời gian các hố đen không hoạt động nhưng khi ở trạng thái hoạt động nuốt những ngôi sao và khí, vùng gần hố đen có thể chiếu sáng toàn bộ thiên hà chứa hố đen đó. Những thiên hà chứa hố đen hoạt động được gọi là chuẩn tinh. Với những gì nhân loại tìm hiểu về hố đen vài thập kỷ qua, vẫn còn rất nhiều bí ẩn cần giải đáp. 

Hố đen là nấm mồ vật chất

Hố đen vũ trụ được cho là hình thành khi một ngôi sao khổng lồ chết đi. Sau khi nhiên liệu hạt nhân của ngôi sao cạn kiệt, lõi ngôi sao sụp đổ đến trạng thái vật chất dày đặc hơn 100 lần so với hạt nhân nguyên tử, dày đặc tới mức proton, neutron và electron không còn là những hạt rời rạc nữa.  Bởi các hố đen là vùng tối nên được phát hiện khi quay quanh một ngôi sao bình thường. Những đặc tính của ngôi sao bình thường giúp các nhà thiên văn suy ra được những đặc tính của đối tượng đồng hành tối đó là hố đen. 

Hố đen đầu tiên được xác nhận là Cygnus X-1, nguồn tia X sáng nhất trong chòm sao Thiên Nga. Kể từ đó, khoảng 50 hố đen vũ trụ đã được phát hiện trong những hệ thống mà một ngôi sao bình thường đi theo quỹ đạo với một hố đen. Đó là những ví dụ gần nhất về khoảng 10 triệu hố đen được cho là nằm rải rác trong Dải Ngân hà.

Hố đen vũ trụ là những nấm mồ vật chất: Không gì có thể thoát khỏi chúng, kể cả ánh sáng. Số phận của bất kỳ ai rơi vào một hố đen là sẽ bị "spaghettification" (hay spaghetti hóa) đau đớn - ý tưởng mà Stephen Hawking phổ biến trong cuốn sách “Lược sử thời gian". Trong quá trình spaghettification, lực hấp dẫn cực mạnh của hố đen sẽ kéo giãn cơ thể, tách xương, cơ, gân và thậm chí cả các phân tử. Như mô tả về cổng địa ngục trong Thần khúc của Dante, có thể hiểu số phận của bất cứ ai hoặc vật thể nào rơi vào hố đen, là: Tất cả những ai bước vào đây hãy từ bỏ hi vọng.

Quái thú đói khát trong mọi thiên hà

Trong 30 năm qua, các quan sát bằng kính viễn vọng không gian Hubble chỉ ra rằng, tất cả các thiên hà đều có hố đen ở trung tâm, với những hố đen lớn ở các thiên hà lớn. Phạm vi khối lượng của các hố đen vũ trụ khác biệt đáng kinh ngạc, từ gấp vài lần Mặt trời đến những quái vật to gấp hàng chục tỉ lần, sự khác biệt như quả táo với đại kim tự tháp Giza Ai Cập.

Đĩa vật chất quay quanh một hố đen siêu khối lượng. Ảnh: ESA

Năm 2019, các nhà thiên văn học công bố bức ảnh đầu tiên về một hố đen và đường chân trời sự kiện của hố đen - con quái vật có khối lượng 7 tỉ Mặt trời ở trung tâm của thiên hà M87. Hố đen này lớn hơn 1000 lần so với hố đen trong Dải Ngân hà. 

Những hố đen khổng lồ nguy hiểm theo 2 cách. Nếu đến quá gần, lực hấp dẫn khổng lồ sẽ hút các vật thể vào. Và nếu hố đen đang ở giai đoạn chuẩn tinh hoạt động, bức xạ năng lượng cao sẽ thổi bay các vật thể. 

Hố đen siêu khối lượng rất kỳ lạ

Hố đen lớn nhất được phát hiện cho đến nay nặng gấp 40 tỉ lần khối lượng của Mặt trời hoặc gấp 20 lần kích thước của Hệ Mặt trời. Trong khi các hành tinh vòng ngoài của Hệ Mặt trời quay quanh quỹ đạo 1 lần trong 250 năm, hố đen lớn nhất lại quay 3 tháng 1 lần. Cạnh ngoài của hố đen lớn nhất di chuyển với tốc độ bằng một nửa tốc độ ánh sáng. Tâm của hố đen là điểm kỳ dị, điểm trong không gian mà mật độ là vô hạn. Chúng ta không thể hiểu bên trong hố đen bởi vì các quy luật vật lý bị phá vỡ. Thời gian đóng băng ở chân trời sự kiện và lực hấp dẫn trở nên vô hạn ở điểm kỳ dị.

Theo Stephen Hawking, các hố đen vũ trụ đang dần bốc hơi. Trong tương lai xa của vũ trụ, rất lâu sau khi tất cả ngôi sao đã chết và các thiên hà bị thu hẹp tầm nhìn bởi sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ, hố đen sẽ là vật thể cuối cùng còn sót lại. Những hố đen siêu khối lượng nhất cũng mất một số năm không thể tưởng tượng được để bốc hơi, ước tính từ 10 đến 100 hoặc 10 với 100 số 0 sau nó. Những vật thể đáng sợ nhất trong vũ trụ gần như vĩnh cửu, giáo sư Chris Impey nhận định.