Cuộc du hành vào lỗ đen (Bài 1)

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 tủ 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 loài 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 Đại 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 thí 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.

Hình 1

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 bạn còn bé, buộc lên một đầu sợi dây đang quay tít, bị đẩy ra do lực ly tâm và được giữa lại bởi sức căng của sợi dây, tương tự như lực hấp dẫn của lỗ đen. Trong lúc con tàu đang chuyển động theo quán tính thì bạn và các phi hành gia tiến hành khám phá lỗ đen bí ẩn.

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 chòi loà này, một hình cầu lớn, đen hoàn toàn, đó chính là lỗ đen, vết mực dơ giữa nền ánh sáng 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, 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 thể 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 vận 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 mình. 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 tý 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 vì 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, thì lỗ đen sơ sinh cũng quay và momen động lượng của lỗ đen sẽ phải bằng với momen động lượng của ngôi sao (Momen động lượng là một đại lượng cho biết tính chất quay nhanh hay chậm của vật).

Trước khi lao vào cuộc du hành đầy mạo hiểm này, có lẽ bạn cũng phải học về lịch sử quá trình tìm hiểu lỗ đen của nhân loại. Trở về những năm 1970 Brandon Carter, Stephen Hawking, Werner Israel, và những người khác đã sử dụng thuyết tương đối rộng Einstein để chỉ ra rằng một lỗ đen hoá ra lại là một con quỷ cực kỳ đơn giản: Tất cả những tính chất của lỗ đen như độ mạnh yếu của trường hấp dẫn, độ bẻ cong mà nó tác động lên quỹ đạo của ánh sáng đến từ các vì sao, cũng như hình dạng và kích thước bề mặt của nó - được xác định chỉ bởi ba thông số: khối lượng của lỗ đen mà bạn đã biết được, mômen động lượng của lỗ đen bạn chưa tính được và điện tích của nó. Hơn nữa, bạn lại nhận thấy một điều là, không có một lỗ đen nào trong không gian giữa các vì sao có thể chứa một lượng điện tích lớn, vì nếu không, nó sẽ nhanh chóng kéo các điện tích trái dấu từ khí trong vũ trụ về phía mình, lập tức làm trung hoà điện tích của mình.

Khi quay, lỗ đen kéo vùng không gian xung quanh nó vào một chuyển động xoáy, như một cơn lốc so với vùng không gian tĩnh lặng ở phía xa, nó dữ dội hơn nhiều so với cánh quạt của một chiếc máy bay cuốn theo không khí ở lân cận, và sự xoáy của miền không gian này gây ra chuyển động xoáy của bất cứ vật nào nằm gần lỗ đen.

Để biết về mômen động lượng của Hades, bạn hãy tìm hiểu về chuyển động xoáy trong dòng các nguyên tử khí khi chúng bị hút vào lỗ đen. Và bạn sẽ thực sự thấy ngạc nhiên, khi vào càng gần lỗ đen, chuyển động của chúng càng nhanh hơn, nhưng vẫn không có một dấu hiệu nào của sự xoáy. Một số nguyên tử bay vòng quanh lỗ đen theo chiều kim đồng hồ khi chúng rơi vào nó, một số khác lại bay theo chiều ngược lại và thỉnh thoảng va đập vào các nguyên tử khác, nên tính một cách trung bình thì hướng rơi của các nguyên tử đâm thẳng vào lỗ đen và không có xoáy. Bạn kết luận được: Lỗ đen có khối lượng gấp 10 lần mặt trời này hầu như không hề quay, và mômen động lượng của nó gần như bằng không.

Biết được khối lượng, mômen động lượng của lỗ đen cũng như điện tích nhỏ đến mức không đáng kể của nó, bây giờ bạn có thể tính được, bằng cách sử dụng những công thức của thuyết tương đối rộng, tất cả những tính chất mà lỗ đen phải có: độ mạnh của trường hấp dẫn, lực kéo tương ứng tác động bẻ cong các tia sáng, và điều thú vị lớn nhất là hình dáng và kích thước đường chân trời của nó.

Nếu lỗ đen quay, đường chân trời của nó sẽ có cực bắc và cực nam, các cực mà nó quay xung quanh và các dòng nguyên tử xoáy vào trong. Nó cũng có một đường xích đạo nằm giữa hai cực, lực ly tâm của chuyển động quay có thể làm đường xích đạo của nó phình ra, cũng giống như đường xích đạo của trái đất bị phình ra chút ít do chuyển động tự quay quanh trục của nó. Nhưng Hades hầu như không quay, và do vậy đường xích đạo của nó hầu như không bị biến dạng. Đường chân trời của nó phải bị chi phối bởi các định luật hấp dẫn trở thành gần như một mặt cầu hoàn hảo. Và đó chỉ là hình dáng mà bạn quan sát được qua kính viễn vọng.

Với kích thước của lỗ đen, các định luật vật lý mô tả bởi thuyết tương đối rộng đã nhấn mạnh rằng lỗ đen càng nặng thì đường chân trời của nó càng rộng. Chuvi của đường chân trời, thực tế bằng 18,5 km nhân với khối lượng của lỗ đen tính theo đơn vị khối lượng mặt trời. ( Con số 18,5km này xuất hiện rất nhiều lần trong các bài báo tương tự về lý thuyết lỗ đen, vì nó chính bằng 4π (12,5663706…) lần hằng số hấp dẫn Newton nhân với khối lượng mặt trời chia cho bình phương tốc độ ánh sáng (4π x G.M/c ²).Vì những đo lạc quỹ đạo của bạn cho biết trọng lượng của lỗ đen lớn gấp 10 lần của mặt trời, nên chu vi đường chân trời của nó phải bằng 185km, cỡ bằng chu vi của Los Angeles . Với kính viễn vọng của mình, bạn cẩn thận đo độ dài đường chu vi này: 185km khớp một cách hoàn hảo với công thức của lý thuyết tương đối rộng.

Đường chu vi trên là rất nhỏ so với quỹ đạo một triệu km của con tàu vũ trụ, và nén chặt trong thể tích tí hon đó là một khối lượng lớn gấp chục lần mặt trời! Nếu lỗ đen là một vật rắn được ép trong một chu vi nhỏ như vậy, mật độ trung bình của nó là 200 triệu (2x10 ⁸) tấn trên một centimet khối -2x10 ¹⁴lần lớn hơn mật độ của nước. Nhưng lỗ đen không phải là một vật rắn. Thuyết tương đối rộng khẳng định rằng vật chất của ngôi sao nặng gấp 10 lần mặt trời tạo ra lỗ đen, bây giờ tập trung trong một vùng không gian chật hẹp được gọi là một kỳ dị. Kỳ dị này, có “kích thước” là 10 ^-33centimet (nhỏ hơn một trăm tỉ tỉ lần bán kính của một hạt nhân nguyên tử), được bao quanh bởi chân không tuyệt đối, tách biệt với đám khí loãng giữa các vì sao và những bức xạ mà khí phát ra. Giữa kỳ dị và đường chân trời cũng như giữa đường chân trời đến con tàu thân thương của bạn là một khoảng không gian gần như trống rỗng.

Kỳ dị và vật chất của sao mẹ được che giấu và kìm kẹp bởi đường chân trời của lỗ đen. Bạn có cố gắng đợi bao lâu đi chăng nữa thì những vật chất này cũng không bao giờ có thể hiện hình trở lại được. Trường hấp dẫn của lỗ đen đã ngăn chặn chúng. Và những vật chất bị giam giữ này thậm chí sẽ không gửi đến cho bạn được bất kỳ thông tin nào, bằng sóng vô tuyến, ánh sáng, hay tia X. Với những mục đích thực tế thì có thể nói rằng chúng đã biến mất khỏi vũ trụ của chúng ta. Điều duy nhất còn sót lại dưới sức mạnh ghê gớm đó, chính là lực hút hấp dẫn của nó, lực hút tại bán kính quỹ đạo 1 triệu kilômét của con tàu tương đương với lực hấp dẫn trước khi hình thành lỗ đen, nhưng lực hút tại đường chân trời và bên trong lỗ đen thì mạnh đến mức không thể tưởng tượng được và không vật thể nào có thể chống lại quyền lực của nó.

“Khoảng cách từ đường chân trời đến kỳ dị này là bao nhiêu? - bạn tự hỏi. (Bạn quyết định không đo nó, đương nhiên là như vậy. Vì một phép đo bây giờ chính là tự sát, bạn sẽ không bao giờ thoát ra khỏi đường chân trời để gửi những kết quả của mình về Hội Địa lý thế giới). Do kỳ dị của lỗ đen quá nhỏ, 10 ^-33centimet, hơn nữa lại nằm tại chính tâm của lỗ đen, khoảng cách từ kỳ dị này đến đường chân trời có thể sẽ bằng bán kinh của đường chân trời.

Bạn có thể đánh liều tính bán kính này theo phương pháp cổ điển một cách rất trong sáng và ngây thơ: chia chu vi lỗ đen cho 2π (6,283185307…). Tuy nhiên, hãy nhớ lại những kiến thức mà bạn đã được học ở mặt đất: đừng bao giờ tin tưởng vào những con tính như vậy. Trường hấp dẫn khổng lồ của lỗ đen đã bóp méo hoàn toàn dạng hình học bên trong và bên ngoài gần lỗ đen, rất giống hình ảnh một viên đá nặng trịch, nằm trên một màng cao su mỏng, làm biến dạng màng một cách kinh khủng, và kết quả là bán kính của đường chân trời không thể bằng chu vi của nó chia cho 2π.

“Không sao” - bạn tự an ủi. “Lobachevsky, Riemann và những nhà toán học vĩ đại khác đã dạy chúng ta cách tính những thông số đặc trưng của một đường tròn khi không gian bị uốn cong, và Einstein đã kết hợp những tính toán này trong những mô tả của thuyết tương đối rộng về hấp dẫn của ông ta. Và mình hoàn toàn có thể sử dụng những công thức trong không gian cong để tính bán kính của đường chân trời”.

(Còn nữa)

Nguồn: T/c Vật lý và tuổi trẻ, số 22, 6/2005