Lỗ đen là gì? Khi một ngôi sao đặc biệt lớn gần kết thúc vòng đời, nó thường trở thành một lỗ đen.
Các nhà vật lý và thiên văn học đã đưa ra lý thuyết và nghiên cứu về các lỗ đen trong hơn 200 năm. Các nhà khoa học này có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa sao (quá trình biến đổi một chiều các đặc tính vật lý học và thành phần hóa học của ngôi sao) của các lỗ đen, từ đó có thể giúp chúng ta hiểu động lực học và cơ học của vũ trụ. Vào ngày 10 tháng 4 năm 2019, một mạng lưới kính thiên văn vô tuyến có tên là Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) đã chụp và cung cấp hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen! Sự kiện quan trọng này mở ra những con đường và lĩnh vực mới thú vị để khám phá trong quá trình nghiên cứu các lỗ đen.
Hố đen từng là những ngôi sao lớn. Các ngôi sao tỏa ra nhiệt và ánh sáng do các phản ứng hạt nhân diễn ra trong lõi của chúng. Nguyên tử hydro được chuyển đổi thành nguyên tử heli, và năng lượng từ phản ứng làm cho ngôi sao tỏa sáng. Năng lượng cũng giúp ngôi sao giữ được hình cầu của nó. Trong khi lực hấp dẫn có tác dụng làm sụp đổ một ngôi sao xuống chính nó, năng lượng hạt nhân chống lại lực hấp dẫn và duy trì hình dạng của ngôi sao.
Sau cả đời để hợp nhất các thành phần nguyên tố thành heli và các nguyên tử nặng hơn (tương đương với sắt), ngôi sao cuối cùng sẽ cạn kiệt nhiên liệu. Điều này có nghĩa là trong ngôi sao có ít phản ứng hạt nhân hơn và có quá ít năng lượng để chống lại lực hấp dẫn. Khi điều này xảy ra, những ngôi sao nhỏ hơn như Mặt trời sẽ biến thành sao lùn trắng – những ngôi sao cực kỳ dày đặc tập trung toàn bộ khối lượng của ngôi sao thành một thể tích có kích thước bằng Trái đất. Kiểu tiến hóa sao này có thể diễn ra trong hàng tỷ năm.
Mặt trời của chúng ta không đủ lớn để trở thành một lỗ đen, thậm chí sau vài tỷ năm. Những ngôi sao lớn hơn nhiều có khối lượng gấp 4 đến 1 tỷ lần Mặt trời có thể biến thành lỗ đen vào cuối cuộc đời của chúng. Các ngôi sao lớn hơn “đốt cháy” nhiên liệu hydro nhanh hơn nhiều, dẫn đến tuổi thọ của các ngôi sao chỉ hàng chục triệu năm.
Những ngôi sao lớn hơn này chứa nhiều vật chất đến nỗi khi chúng cháy hết, lực hấp dẫn cường độ cao của chúng sẽ làm chúng sụp đổ thành lỗ đen. Lực hấp dẫn mạnh cứ kéo đi kéo lại, nén vật chất thành một khối lượng ngày càng nhỏ. Tại một thời điểm nào đó, trường trọng lực nén tàn dư của ngôi sao thành một “lỗ đen”. Tên gọi này xuất phát từ thực tế là ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi lực kéo của trường trọng lực cường độ cao này nếu nó đi qua trong khoảng cách từ lỗ đen được gọi là “chân trời sự kiện”.
Các lỗ đen có thể được quan sát và phát hiện theo một số cách. Chúng tạo ra hiệu ứng hấp dẫn mạnh mẽ lên môi trường xung quanh và chúng ta có thể đo chuyển động của các vật thể quay quanh chúng, giống như các ngôi sao khác. Ngoài ra, lực hấp dẫn của lỗ đen mạnh đến mức ánh sáng đi qua gần “chân trời sự kiện” của chúng có thể bị khúc xạ, như thể bị thấu kính, làm thay đổi vị trí hoặc hình dạng của các ngôi sao và thiên hà xa Trái đất hơn so với lỗ đen.
Các lỗ đen thường được bao quanh bởi các vật chất khác, chẳng hạn như bụi hoặc các ngôi sao khác. Lực hấp dẫn cường độ cao của lỗ đen có thể tách vật chất này ra, tạo ra bức xạ vô tuyến, tia X và gamma cường độ cao và một số trong số này xảy ra phía trên chân trời sự kiện, nơi nó có thể thoát ra ngoài và được phát hiện cũng như đo lường.
Ngoài ra, các quan sát gần đây đã chứng minh sự xuất hiện của “bức xạ hấp dẫn”, lần đầu tiên được Einstein dự đoán, xảy ra khi các lỗ đen đi qua gần nhau hoặc va chạm, về cơ bản đẩy một làn sóng không-thời gian bị kéo căng và nén qua vũ trụ.
Trong nhiều năm, các lỗ đen có thể được phát hiện và đo lường tác động của chúng, nhưng chúng không được quan sát trực tiếp. Nhưng vào năm 2019, một lỗ đen và bóng của nó lần đầu tiên được chụp lại trong một hình ảnh. Kỳ tích lịch sử này liên quan đến một mạng lưới tám kính thiên văn vô tuyến trên mặt đất trên toàn cầu, hoạt động cùng nhau như thể chúng là một kính thiên văn có kích thước bằng toàn bộ hành tinh của chúng ta. Mạng này được gọi là Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện.
Bất chấp những gì đã được khám phá về lỗ đen, các nhà khoa học vẫn còn nhiều câu hỏi thú vị và chưa được giải đáp – những điều kiện như thế nào bên trong chân trời sự kiện, đặc biệt là gần “điểm kỳ dị” tại trung tâm lỗ đen? Trong khu vực này, mật độ vật chất cao tạo ra những điều kiện không giống bất kỳ nơi nào khác trong vũ trụ đã biết. Các nhà khoa học cũng đã đưa ra giả thuyết rằng các lỗ đen có thể “bốc hơi” theo thời gian, từ từ tan biến và cuối cùng biến mất, nhưng hiện tượng này chưa bao giờ được quan sát trực tiếp. Ngoài ra, các nhà khoa học đang nghiên cứu xem liệu thông tin có thể bị phá hủy khi đi vào lỗ đen hay không, hoặc liệu có cơ chế nào mà thông tin có thể được “tái chế” và giữ lại trong vũ trụ nhìn thấy được hay không.
Những câu hỏi này, và nhiều câu hỏi khác, sẽ khiến các nhà quan sát và các nhà khoa học bận tâm trong nhiều thập kỷ tới.
