Cuộc du hành vào lỗ đen (Bài 2)

“Được rồi”, bạn tự nhủ. “Bất kể nó cấu tạo như thế nào, thì cái lõi hỗn độn của nó cũng phải có một chu vi nhỏ hơn rất nhiều so với 1 centimét. Như vậy, mình hầu như sẽ gặp những sai số rất nhỏ nếu mình bỏ qua nó khi tính bán kính của đường chân trời”.

Nhưng một lần nữa, bạn nên nhớ rằng không gian bị xoắn đến cực độ ở gần kỳ dị làm cho vùng hỗn độn có bán kính lên tới hàng triệu kilômét dù nó chỉ có chu vi bé bằng một phần nhỏ của đơn vị centimét, y như khi hòn đá trong hình 1, đủ nặng, có thể kéo đầu mút biến dạng của màng cao su xuống dưới thật sâu trong khi vẫn để chu vi của miền méo mó hỗn độn này nhỏ một cách đáng kể (nhưng bán kinh vẫn rất lớn H.1). Những sai số bạn mắc phải trong việc tính bán kính khi đó sẽ trở nên vô cùng kinh khủng. Như vậy bán kính của đường chân trời không thể tính một cách đơn giản từ những thông tin nghèo nàn mà bạn đang sở hữu: khối lượng lỗ đen và mômen quán tính của nó.

Tạm bỏ qua những băn khoăn, suy tưởng đang trăn trở về không gian bên trong lỗ đen, bạn chuẩn bị cuộc hành trình khám phá vùng lân cận của đường chân trời bí ẩn. Không muốn liều lĩnh đánh cược bằng sự sống của con người, bạn ra lệnh cho một tên lửa thám hiểm, một rôbốt cao 10 centimét mang tên Arnold thực hiện nhiệm vụ đầy nguy hiểm này thay cho mình và truyền những kết quả về tàu vũ trụ. Arnold mang theo những chỉ dẫn vô cùng đơn giản: Anh ta phải khởi động những máy móc của mình để bắt kịp chuyển động quỹ đạo cùng con tàu, sau đó tắt hết các động cơ, và mặc cho sức hút hấp dẫn mãnh liệt của lỗ đen kéo mình vào bên trong. Trong khi “rơi tự do” như vậy, Arnold phải phát ra các chùm laser màu xanh cực nhay trở về tàu, trên các dao động điện từ của chùm laser đó, anh ta phải mã hoá và kèm theo các thông tin về quãng đường đi, trạng thái hoạt động của hệ thống điện tử của mình, y hệt như một đài phát thanh truyền những bản tin hàng ngày trong sóng radio được truyền đến mọi nhà.

Hình 2

Và cuối cùng cuộc thí nghiệm được bắt đầu. Arnold nhảy ra khỏi quỹ đạo tròn của mình và bay vào quỹ đạo rơi về phía lỗ đen. Ngay khi anh ta bắt đầu rơi, Kares khởi động một đồng hồ dùng để đo thời gian truyền của những tín hiệu laser. 10 giây trôi qua, những tín hiệu laser được giải mã thông báo rằng tất cả những hệ thống điện tử của anh ta đều hoạt động tốt, và anh ta đã rơi được một quãng đường dài 2630 kilômét. Từ màu sắc của ánh sáng laser, Kares tính được rằng hiện giờ anh ta đang chuyển động hương vào trong lỗ đen với tốc độ 530 kilômét trên giây. Khi chiếc đồng hồ đo thời gian đạt đến 20 giây thì tốc độ của anh ta đã tăng lên gấp đôi, thành 1060 km/s và quãng đường anh ta rơi được đã tăng lên bốn lần tới 10.500 kilômét. Chiếc đồng hồ vẫn kêu tích tắc một cách đều đặn. Tại giây thứ 60 tốc độ của anh ta là 9700 km/s, và anh ta đã đến được khoảng cách 135.000 kilômét so với con tàu, một phần sáu con đường dẫn đến đường chân trời của lỗ đen.

Bây giờ bạn phải tập trung cao độ chú ý quan sát từng biến chuyển của Arnold . Những giây phút ngắn ngủi tiếp theo sẽ vô cùng quan trọng, nếu không muốn nói là quyết định, vì vậy Kares khởi động một hệ thống ghi thông tin tốc độ cao nhằm thu thập tất cả các chi tiết tinh tế của dữ liệu đầu vào. Tại giây thứ 61 Arnold báo cáo tất cả các hệ thống vẫn hoạt động bình thường; đường chân trời nằm cách 14.000 kilômét dưới chân anh ta và anh ta đang rơi về phía lỗ đen với vận tốc 13.000 kilômét trên giây. Tại thời điểm 61,7 giây, mọi thứ vẫn tốt, 1700 kilômét nữa trôi qua, tốc độ 39.000 km/s, khoảng một phần mười tốc độ ánh sáng, màu sắc của chùm laser thay đổi một cách chóng mặt. Trong một phần mười giây tiếp theo bạn kinh ngạc nhìn vào màn hình khi màu sắc chùm laser bay vù vù qua dải quang phổ sóng điện từ, từ màu xanh lục đến màu đỏ, đến miền hồng ngoại, đến sóng viba, đến sóng vô tuyến, rồi đến… Đến 61,8 giây mọi thứ kết thúc. Chùm laser đã hoàn toàn biến mất. Arnold đã đạt đến vận tốc ánh sáng và mất hút vào bên trong đường chân trời. Và trong một phần mười giây cuối cùng, ngay trước khi chùm laser biến mất trong nháy mắt, Arnold vẫn đang gửi những thông báo tràn đầy hạnh phúc: “Tất cả hệ thống hoạt động tốt, tất cả hệ thống hoạt động tốt, đang tiếp cận đường chân trời, tất cả hệ thống hoạt động tốt, tất cả hệ thống hoạt động tốt…”.

Khi trạng thái kích động đã lắng xuống, bạn kiểm tra những dữ liệu đã ghi lại được. Ở đây bạn tìm thấy những chi tiết đầy đủ về sự thay đổi bước sóng của laser. Bạn hiểu rằng, khi Arnold rơi, bước sóng của các tín hiệu laser tăng lên một cách chậm chạp vào những giây đầu tiên, sau đó tăng nhanh dần nhanh dần. Nhưng, thật là đáng ngạc nhiên, sau khi bước sóng tăng lên gấp bốn lần, tốc độ gấp đôi của nó trở nên đều đặn một cách kỳ lạ: lúc đó bước sóng cứ gấp đôi lên sau mỗi 0,00014 giây. Sau 33 lần gấp đôi (0,0046 giây) bước sóng laser đạt đến độ dài 4 kilômét, giới hạn đo của hệ thống ghi nhận tinh vi của bạn. Có thể phỏng đoán một cách gần đúng rằng bước sóng vẫn giữ tốc độ nhân đôi đều đều như vậy trong suốt thời gian sau đó. Vì cần một số vô hạn lần nhân đôi để bước sóng tăng đến vô cùng, nên, một cách vô cùng mơ hồ, có thể nói rằng những tín hiệu có bước sóng rất dài có thể vẫn xuất hiện từ vùng không gian gần đường chân trời!

Điều này phải chăng có nghĩa là Arnold vẫn chưa vượt qua đường chân trời và sẽ mãi mãi không thể vượt qua được? Không, không thể như vậy. Vì cuối cùng thì, những tín hiệu nhân đôi mãi mãi này phải cần một thời gian rất lâu để ‘trèo” ra khỏi sự kìm kẹp khắc nghiệt của trường hấp dẫn lỗ đen. Arnold đã trôi qua đường chân trời, chuyển động với vận tốc ánh sáng, từ nhiều phút trước đây. Những tín hiệu rất yếu còn sót lại thoát ra được chỉ bởi vì thời gian truyền của chúng quá lâu. Chúng chính là những di vật của quá khứ.

Sau nhiều giờ nghiên cứu dữ liệu từ sự rơi của Arnold , và sau một giấc ngủ dài làm phấn chấn tinh thần của chính mình, bạn bắt tay vào một giai đoạn mới của hành trình khám phá lỗ đen. Lần này, bạn, chính bạn, sẽ thăm dò vùng lân cận lỗ đen, nhưng bạn sẽ thực hiện nhiệm vụ này thận trọng hơn rất nhiều so với Arnold đã từng làm.

Bùi ngùi chia tay với phi hành đoàn, bạn trèo vào khoang lái của một tàu thăm dò và rời khỏi bụng con tàu vũ trụ quen thuộc, bay theo quỹ đạo tròn dọc theo nó. Sau đó bạn giảm cường độ hoạt động của động cơ tên lửa một cách nhẹ nhàng để làm chậm dần chuyển động theo quỹ đạo. Điều này làm giảm từ từ lực quán tính ly tâm có vai trò giữa tàu thăm dò của bạn bay ổn định, và lực hấp dẫn của lỗ đen sẽ kéo bạn vào quỹ đạo tròn mon men nhỏ dần. Một lần nữa bạn lại giảm động cơ thì quỹ đạo tròn này tiếp tục co lại. Mục đích của bạn, với sự chẫm rãi này, là an toàn, tiến vào trong lỗ đen theo đường xoắn ốc, là dần tiếp cận đến một quỹ đạo tròn ở ngay trên đường chân trời, một quỹ đạo với chu vi chỉ 1,0001 lần lớn hơn chu vi của chính đường chân trời. Khi đó bạn có thể khám phá hầu hết các tính chất của đường chân trời, nhưng vẫn đủ để trốn khỏi sự kìm kẹp đầy tai hoạ của nó.

Hình 3

Hơi kinh ngạc, mạc dù vậy bạn vẫn tiếp tục tiến trên con đường xoắn ốc của mình, nhưng sự sửng sốt này nhanh chóng chuyển thành lo lắng tột độ. Khi quỹ đạo dần co hẹp lại, các lực tác dụng lên đầu và chân tăng lên đáng kể. Tại đường chu vi 80.000 kilômét độ chênh lệch lực kéo là g/4; tại đường chu vi 50.000 kilômét nó kéo dãn bạn với một lực tương đương cường độ trường hấp dẫn toàn phần của trái đất; và tại 30.000 kilômét cường độ này gấp 4 lần trường hấp dẫn của trái đất. Nghiến răng lại vì đau đớn khi đầu và hai bàn chân của mình bị kéo mạnh ra hai phía, bạn lại tiếp tục đi sâu vào đường chu vi 20.00 kilômét với sức kéo dãn lúc này đã là 15g. Bạn không thể chịu đựng hơn nữa! Bạn cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách cuộn tròn mình thành một quả cầu kín sao cho đầu và chân gần nhau hơn và độ chênh lệch lực hút giữa chúng sẽ nhỏ đi, nhưng lực hút đã mạnh đến nỗi bạn không thể xoay người được; chúng túm lấy bạn một cách tàn bạo, buộc bạn phải quay trở về trạng thái khổ sở và cùng cực. Nếu tàu thăm dò tiếp tục đi vào vòng xoáy, cơ thể bạn sẽ không còn nguyên vẹn, mà bị xé tan thành nhiều mảnh! Vậy là không có hy vọng gì chạm đến được miền lân cận lỗ đen.

Thất bại và đau đớn kinh khủng, bạn tạm ngưng chuyển động của tàu thăm dò, quay nó trở lại và bắt đầu một cách thận trọng, khởi động về men theo những đường vòng trôn ốc lớn dần, lớn dần rồi cuối cùng nhập vào trong bụng của con tàu vũ trụ thân yêu.

Bước vào phòng chỉ huy, mệt mỏi và chán nản, bạn trút sự thất bại của mình lên chiếc máy tính chủ, DAWN. “Tikhii, tikhii”, nó trả lời thật êm ái và nhẹ nhàng (những chữ tượng thanh của ngôn ngữ Nga). “Tôi biết anh đã thất bại, nhưng đó hoàn toàn là lỗi của anh mà. Anh chẳng đã được chỉ dẫn về lực kéo dãn đầu cuộc du hành này là gì. Anh còn nhớ không? Chúng cũng giống như lực đã gây nên hiện tượng thuỷ triều trên những đại dương hiền hoà thơ mộng ở trái đất”.

Ảnh:Hình 1. Một hòn đá nặng nằm trên một màng cao su (ví dụ như đó là một tấm vải cao su mà các nghệ sỹ biểu diễn xiếc thường nhào lộn) làm biến dạng nó như hình vẽ. Dạng hình học méo mó của màng cao su hoàn toàn tương tự với sự hỗn độn của không gian hình học xung quanh và bên trong một lỗ đen. Ví dụ, chu vi của vành tròn đen dày trong hình vẽ nhỏ hơn nhiều so với 2π lần bán kính của nó, cũng như chu vi của đường chân trời lỗ đen nhỏ hơn nhiều so với 2π lần bán kính của nó.

Hình 2. Bất cứ khi nào một nguồn phát và một máy thu của sóng chuyển động về phía nhau, máy thu sẽ nhận được tín hiệu sóng có tần số cao hơn – có nghĩa là chu kỳ ngắn hơn và bước sóng ngắn hơn. Nếu nguồn phát và máy thu chuyển động rời xa nhau, thì máy thu sẽ nhận được sóng có tần số thấp đi, với chu kỳ dài hơn và bước sóng dài hơn. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Doppler, và nó là tính chất cơ bản của tất cả các loại sóng: sóng âm thanh, sóng nước, sóng điện từ, v.v… Với sóng âm thanh, hiệu ứng Dopper rất gần gũi với cuộc sống hàng ngày. Đôi tai cảm nhận hiện tượng này khi nghe âm thanh bất ngờ cao vọt lên của một xe cấp cứu chạy qua với những tiếng còi rú lên liên hồi, hay một máy bay đang hạ cánh bay ngang đầu. Điều gì đúng với sóng thì cũng đúng với các xung. Nếu nguồn phát truyền một cách đều đặn các xung ánh sáng, thì máy thu khi chuyển động lại gần nguồn sẽ đếm được các xung với tần số cao hơn (hay khoảng thời gian giữa các xung ngắn đi) hơn là tần số mà chúng được phát ra.

Hình 3. Khi bạn rơi xuống trái đất, lực hấp dẫn sẽ kéo dãn cơ thể bạn từ đầu đến chân và ép bạn vào từ hai bên.