by Nội dung dưới đây là một vài trích đoạn trong cuốn “Lỗ đen và sự uốn cong của thời gian" - một cuốn sách phổ biến khoa học nổi tiếng của một trong số các nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng nhất thế giới hiện nay, giáo sư Kip Thorne, người đã từng đánh cược với Stephen Hawking và đã thắng.
Trong tất cả những khái niệm của kho tàng tư duy nhân loại, từ những con nhân sư huyền bí đến bom khinh khí huỷ diệt, có lẽ thứ kỳ lạ và bí ẩn nhất chính là lỗ đen: một cái lỗ với những biên giới xác định mà mọi thứ đều có thể rơi vào và không thứ gì có thể thoát ra được một cái lỗ có lực hấp dẫn mạnh đến nỗi thậm chí ánh sáng cũng bị nó bắt và giam giữ trong nhà tù nhỏ bé của nó, một cái lỗ có khả năng làm cong không gian và xoắn thời gian. Cũng như con nhân sư hay các loại quái vật khác, lỗ đen dường như thích hợp với vị trí nằm trong vương quốc của các câu chuyện khoa học viễn tưởng hay những điều kỳ bí thời cổ đại hơn là trong Vũ trụ thực tế của chúng ta, Tuy nhiên, những định luật vật lý đã được kiểm chứng, đã tiên đoán một cách chắc chắn rằng Lỗ đen tồn tại. Trong thiên hà của chúng ta, có thể có đến hàng triệu lỗ đen, nhưng bóng tối của chúng đã che dấu sự tồn tại đó trước mắt con người. Các nhà thiên văn học đã phải rất nỗ lực và cố gắng để tìm ra thực thể kỳ lạ này.
Lỗ đen Hades
Hãy tưởng tượng bạn là chủ sở hữu đồng thời là người điều hành một tàu không gian lớn, Với nhiều máy vi tính hiện đại, robot và hàng trăm phi hành gia dưới quyền. Bạn được Hội Địa lý thế giới giao nhiệm vụ khám phá những lỗ đen nằm trong không gian giữa các vì sao và chuyển về Trái Đất những kết quả và những mô tả thi nghiệm của bạn. Sau sáu năm lang thang trong vũ trụ, con tàu của bạn đang từ từ tiến vào vùng lân cận của lỗ đen gần Trái Đất nhất, có tên “Hades" nằm cạnh sao Vega.
Trên màn hình video của con tàu, bạn và các cộng sự đắc lực nhận ra những dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của lỗ đen này: Các phân từ khí phân bố một cách rời rạc trong không gian giữa các vì sao, khoảng một phân tử trong một centimet khối, bị hút bởi trường hấp dẫn của lỗ đen (hình 1). Chúng bay về phía lỗ đen từ mọi hướng khác nhau, vô cùng chậm khi ở xa lỗ đen - lúc đó lực hấp dẫn rất nhỏ – và tăng tốc khi lại gần lỗ vì lực hút đã tăng lên mạnh mẽ, thậm chi vận tốc của chúng nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng. Nếu bạn không hành động kịp thời, cả con tàu có nguy cơ sẽ bị cuốn theo cùng với những phân tử xấu số.
Nhanh chóng và cẩn thận, trợ lý thân cận nhất của bạn, Kares, điều khiển con tàu thoát khỏi tình trạng nguy cấp và đưa nó vào quỹ đạo chuyển động tròn, sau đó tắt các động cơ. Khi bạn bay theo đường biên của lỗ đen, lực quán tính ly tâm của chuyển động tròn này sẽ giúp con tàu của bạn chống lại lực hấp dẫn của lỗ đen. Con tàu giống như một khẩu súng cao su đồ chơi hồi ban còn bé, buộc trên một đầu sơi dây đang quay tít, bị đẩy ra do lực ly tâm và được giữ lại bởi sức căng của sợi dây, tương tự như lực hấp dẫn của lỗ đen. Trong lúc con tàu đang chuyến động theo quán tính thì bạn và các phi hành gia tiến hành khám phá lỗ đen bí ẩn.
Hình 1
Trước tiên, bạn tiến hành nghiên cứu một cách bị đông: sử dung các kính thiên văn để tìm hiểu sóng điện từ mà các phân tử khí phát xạ khi chúng bay vào lỗ đen. Cách xa lỗ đen, các phân tử này ở trạng thái lạnh, chỉ vài độ Kelvin. Khi đó, chúng dao động rất chậm tạo ra các sóng điện từ với bước sóng dài. Đó chính là sóng vô tuyến (hình 2). Vào gần lỗ đen, nơi lực hấp dẫn kéo các phân tử ngày càng mạnh, chúng va chạm với các phân tử khác và nóng lên tới hàng nghìn đô. Nhiệt lượng toả ra khiến chúng dao dộng ngày càng mạnh và phát ra các sóng điện từ có bước sóng ngăn và bạn nhận ra quang phổ đầy màu sắc: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, tím (hình 2). Gần lỗ đen hơn nữa, lúc này trường hấp dẫn đã mạnh hơn rất nhiều và các dòng cuốn vào lỗ đen ngày càng nhanh, va chạm nung nóng các phân tử khí lên đến hàng triệu độ, chúng dao động nhanh đến chóng mặt, phát ra những sóng điện từ có bước sóng cực ngắn: tia X. Khi nhìn thấy các tia X tràn ra xung quanh lỗ đen, gợi cho bạn nhớ tới phát hiện về lỗ đen đầu tiên của các nhà vật lý thiên văn vào năm 1972: Cygnus X-1, cách Trái đất 6,000 năm ánh sáng, trong quá trình họ tìm hiểu về tia X
Hình 2: Phổ sóng điện từ, đi từ sóng vô tuyến có bước sóng rất dài (tần số cực thấp) đến các tia gamma với bước sóng cực ngắn (tần số cao).
Điều chỉnh kính thiên văn ngắm gần vào lỗ đen, bạn thấy những tia gamma từ các nguyên tử bị nung nóng đến nhiệt độ cao. Tiếp đến, hiện ra mờ mờ ngay giữa trung tâm của cảnh tượng chói loà này, một hình cầu lớn, đen hoàn toàn, đó chính là lỗ đen, vết mực dơ giữa nền ánh sàng rực rỡ, tia X và tia gamma từ những nguyên tử đã che dấu cho sự tồn tại của nó. Bạn quan sát những dòng nguyên tử siêu nóng đang cuốn vào lỗ từ mọi phía. Khi đã vào bên trong lỗ đen, chúng nóng hơn bao giờ hết, dao động nhanh hơn bao giờ hết và bức xạ mạnh hơn bao giờ hết, nhưng những bức xạ này cũng không thể thoát khỏi cường độ hấp dẫn dữ dội của lỗ đen. Không gì có thể thoát ra được. Đó chính là nguyên nhân tại sao lỗ đen lại có màu đen, đen như mực.
Với kính thiên văn, bạn quan sát kỹ lưỡng khối cầu đen này. Nó có một đường bao sắc nét tuyệt đối, chính là bề mặt của lỗ, được gọi là vùng “no escape“ (không thể thoát). Bất kỳ cái gì ở ngay phía trên bề mặt này cố gắng hết sức có thể thoát ra từ rãnh hấp dẫn: Một tên lửa, một hạt cơ bản được tăng tốc đủ, và đương nhiên cả ánh sáng nữa đều còn có thể thoát ra được, dĩ nhiên, thoát ra được. Nhưng chỉ cần xuống dưới một chút so với bề mặt này, con rãnh hấp dẫn này trở nên lạnh lùng đến đáng sợ, không mủi lòng trước bất kỳ sự giam hãm cầm tù nào, và thực tế là như vậy, không có gì có thể thoát ra từ đó, không phụ thuộc vào việc chúng có cố gắng thoát ra hay không và cố gắng như thế nào: kể cả tên lửa, các hạt cơ bản, thậm chí ánh sáng hay tất cả các loại bức xạ; chúng không bao giờ có thể chạm tới quỹ đạo con tàu vũ trụ của bạn. Bề mặt lỗ, chính vì thế, giống như đường chân trời trên Trái Đất, nơi xa xôi khuất nẻo vượt qua cả tầm mắt của bạn, Điều đó giải thích tại sao người ta gọi nó là đường chân trời của lỗ đen.
Người trợ lý đắc lực Kares, đo đạc cẩn thận chu vi quỹ đạo của con tàu. Chính xác là 1 triệu km, bằng khoảng một nửa chu vi quỹ đạo Mặt Trăng quanh Trái Đất. Sau đó cô nhìn về các ngôi sao ở xa và thấy chúng bay vòng quanh ở phía trên khi con tàu chuyển động. Bằng cách đo thời gian chuyển động biểu kiến của chúng, cô kết luận rằng phải mất 5 phút 46 giây để con tàu bay 1 vòng quanh lỗ đen. Đó chính là chu kỳ quỹ đạo của con tàu.
Từ chu kỳ và chu vi quỹ đạo bạn có thể tính ngay được khối lượng của lỗ đen. Phương pháp tính của bạn cũng giống phương pháp Isaac Newton đã dùng vào năm 1685 để tính khối lượng của Mặt Trời: Vật thế có khối lượng càng lớn, trường hấp dẫn càng mạnh và do đó các vệ tinh (hành tinh hay tàu vũ trụ) chuyển động càng nhanh để không bị hút vào trong, như vậy chu kỳ quỹ đạo sẽ phải càng ngắn. Áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton dưới dạng biểu thức toán học với quỹ đạo của con tàu, bạn sẽ tính được khối lượng của lỗ đen Hades lớn gấp 10 lần khối lượng của mặt trời (“10 đơn vị khối lượng mặt trời").
Bạn biết rằng lỗ đen này đã được tạo thành từ cách đây rất lâu từ cái chết của một ngôi sao, cái chết khủng khiếp mà ngôi sao không thể nào chống lại sức hút mãnh liệt của chính minh. Và có lẽ bạn cũng biết rằng, khi một ngôi sao nặng co sập lại, khối lượng của nó đã không hề thay đổi; Lỗ đen Hades có cùng khối lượng với ngôi sao mẹ của nó trước đây – hay cũng là gần như vậy. Thực tế thì Hades có khối lượng lớn hơn lý thuyết một chút, tăng lên bởi khối lượng của mọi thứ đã không may rơi vào trong lỗ đen từ khi nó được sinh ra: khí giữa các vi sao, những thiên thạch, những con tàu vũ trụ...
Bạn biết được tất cả những điều này bởi vì bạn đã phải học những định luật cơ bản về hấp dẫn: những định luật được khám phá dưới dạng gần đúng bởi Isaac Newton năm 1687, và được chỉnh sửa hoàn toàn về dạng chính xác bởi Albert Einstein năm 1915. Những định luật hấp dẫn của Einstein, hay còn gọi là thuyết tương đối rộng, buộc các lỗ đen xử sự theo đúng cách mà chúng đã bắt những hòn đá nặng rơi xuống Trái Đất. Những hòn đá không thể chống lại những định luật hấp dẫn, rơi ngược lên hay bay lượn tự do trong không khí, hoàn toàn tương tự, các lỗ đen không thể chạy trốn khỏi tầm ảnh hưởng của các định luật hấp dẫn: Ra đời khi một ngôi sao nổ tung vào trong chính nó, khối lượng của lỗ đen, khi sinh ra, phải đúng bằng khối lượng của ngôi sao; và cứ mỗi lần có vật gì đó rơi vào nó, khối lượng lại tăng lên. Cũng giống như vậy, nếu ngôi sao quay khi nó nổ tung, thi lỗ đen sơ sinh cũng quay và momen động lượng của lỗ đen sẽ phải bằng với moment động lượng của ngôi sao (Momen động lượng là một đại lượng cho biết tính chất quay nhanh hay chậm của vật).
Cao Vũ Nhân (lược dịch)
Xem tiếp phần sau tại đây
0 Comments: