Các lỗ đen

Làm thế nào tạo ra các lỗ đen?

Chỉ cần nén một khối lượng (bất cứ khối lượng nào, một đồng bạc cắc mười franc, cái ghế, hòn núi, ngôi sao hay thiên hà) trong một thể tích đủ nhỏ để lực hấp dẫn ở nơi đó to đến nỗi ngay cả ánh sáng – có vận tốc lớn nhất có thể có được (300.000km/s) – cũng không thể thoát ra được nữa. Bán kính qua đó ta phải nén vật để trở thành lỗ đen được các nhà khoa học gọi là “bán kính không trở lại” (rayon de non-retour) (ai vượt qua bán kính này sẽ không thể trở ra được nữa) hay “ bán kính Schwarzschild” (tên nhà vật lý đã phát hiện ra nó). Bán kinh R này tỷ lệ thuận với khối lượng vật được nén:

R a M

Công thức chính xác là: R = 2GM/c ²nơi đó G là hằng số chi phối lực hấp dẫn và c là vận tốc ánh sáng.

Mặt trời với khối lượng 2.10 ²³g, có bán kính không trở lại là 3km. Tháp Eiffel có khối lượng 6.900 tấn có bán kính không trở lại là một phần ti tỉ cm (10 ^-18cm). Một người nặng 70 ký sẽ trở thành một lỗ đen nếu người đó bị nén nhỏ hơn 10 ^-23cm. Xét theo vóc dáng quá nhỏ của các bán kính không trở lại của các đồ thường ngày, ta hiểu dễ dàng tại sao tất cả những vật này không sụp đổ thành lỗ đen: khối lượng của chúng, nghĩa là lực hấp dẫn của chúng, không đủ lớn để thắng sức bền bỉ của các lực điện từ liên kết các nguyên tử và tạo sự vững chắc cho các đồ vật trong đời sống, cũng không nén các vật đó tới tầm vóc cực nhỏ được. Chỉ các sao và thiên hà mới có đủ khối lượng và lực hấp dẫn để sụp đổ thành lỗ đen.

Khối lượng riêng của lỗ đen là:

d = Khối lượng/thể tích = 3M/4πR ³a M/M ³a 1/M ²a 1/R ²

a = tỷ lệ thuận

Vì khối lượng riêng tỉ lệ nghịch với bình phương khối lượng, lỗ đen rất nặng nhưng không nhất thiết phải rất đặc. Khối lượng riêng của lỗ đen có cùng khối lượng mặt trời thì khá lớn, bằng 1,8 x 10 ¹⁶g/cm3, nhưng một lỗ đen có khối lượng bằng 4,2 tỉ mặt trời sẽ có khối lượng riêng của không khí mà chúng ta thở (0,001g/cm ³).

Nhà vật lý thiên văn Stephen Hawking đã chứng minh rằng dù sao thì các lỗ đen cũng không hoàn toàn đen. Cơ học lượng tử cho phép chúng bốc hơi từ từ thành ánh sáng. Tốc độ bốc hơi được kiểm soát bởi nhiệt độ T của lỗ đen. Nhiệt độ càng thấp khi khối lượng lỗ đen càng lớn.

T a     1/M

Thời gian t (bốc bơi) để một lỗ đen bốc hơi hoàn toàn thay đổi theo lũy thừa ba của khối lượng

t (bốc hơi)       a M ³

Nhiệt độ lỗ đen có khối lượng mặt Trời là một phần mười triệu Kelvin (10 ^-7K) và thời gian bốc hơi của nó là 10 ⁶⁵năm. Nhiệt độ lỗ đen cỡ thiên hà có khối lượng bằng một tỉ khối lượng mặt trời là 10 ^-16K và thời gian bốc hơi là 10 ⁹²năm, trong lúc nhiệt độ mỗi lỗ đen siêu thiên hà khối lượng bằng một ngàn tỉ khối lượng mặt trời là 10 ^-19K và thời gian bốc hơi của nó là 10101 năm.

Lẽ đương nhiên, cũng giống y như nước nóng của tách cà phê chỉ có thể bốc hơi khi không khí bao quanh nó lạnh hơn (nhiệt chỉ có thể đi từ nóng sang lạnh), các lỗ đen chỉ có thể bốc hơi khi nhiệt độ của chúng cao hơn nhiệt độ hoá thạch đang bao trùm vũ trụ. Điều kiện này không được thoả mãn trong vũ trụ hiện tại - nhiệt độ vũ trụ là 3K sau 15 tỉ năm tiến hoá (évolution). Biết rằng nhiệt độ vũ trụ T (vũ trụ)thay đổi (xem bài Những thông số thuộc vũ trụ luận và sự tiến hoá vũ trụ):

T (vũ trụ)a        1/R (vũ trụ)       a 1/t ^2/3

trong đó t là tuổi của vũ trụ, chúng ta suy ra rằng một lỗ đen có khối lượng mặt trời chỉ bắt đầu bốc hơi khi t = 3.10 ¹⁰năm, khi mà nhiệt độ vũ trụ sẽ hạ xuống bằng 1 phần mười triệu độ Kelvin. Một lỗ đen thiên hà phải chờ đến 10 ²⁴năm và một lỗ đen siêu thiên hà phải chờ tới 10 ³⁸năm mới có thể bắt đầu bốc hơi.

Trên nguyên tắc, khối lượng một lỗ đen có thể lớn chừng nào hay chừng đó, nhưng không thể nhỏ hơn 20 microgram (2 x 10 ^-5g).

Lỗ đen nào có khối lượng vô cùng nhỏ này (có tên là khối lượng Planck) sẽ có nhiệt độ 10 ³²độ Kelvin (nhiệt độ Planck) và sẽ bốc hơi ở 10 ^-43giây (thời gian Planck). Những con số này tượng trưng cho lúc khởi thuỷ của vũ trụ, nơi bức tường Planck, lúc mà vật lý hiện tại bị hẫng chân. Hawking đã gợi ý rằng vũ trụ lúc bấy giờ quá sức đặc đến nỗi không gian của nó bị sụp đổ thành vô số lỗ đen li ti (mini-trous noirs, hay những lỗ đen khởi thuỷ, trous noirs primordiaux) có khối lượng Planck và bay hơi hết rồi lại tái sinh sau 10 ^-43giây trong một chu trình kinh hoàng của sự sống và sự chết (cycle infernal, từ chữ enfer, thuộc về hoả ngục, chữ dùng thân mật). Người ta không bao giờ dò ra được các lỗ đen khởi thuỷ này.