Hố đen kỳ bí - Phần 2 (Trần Văn Tính)

Chia sẻ: Nguyen Uyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

92
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hình mô tả đĩa gia tốc của lớp plasma quay xung quanh một hố đen (ảnh của NASA). Sự hình thành Lý thuyết tương đối rộng (cũng như các lý thuyết hấp dẫn khác) không chỉ nói rằng các hố đen có thể tồn tại mà còn tiên đoán rằng chúng sẽ được hình thành trong tự nhiên khi có đủ khối lượng trong một vùng không gian nào đó và trải qua một quá trình gọi là suy sập hấp dẫn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hố đen kỳ bí - Phần 2 (Trần Văn Tính)

Hố đen kỳ bí Phần 2 Nghiên cứu về hố đen Hình mô tả đĩa gia tốc của lớp plasma quay xung quanh một hố đen (ảnh của NASA). Sự hình thành Lý thuyết tương đối rộng (cũng như các lý thuyết hấp dẫn khác) không chỉ nói rằng các hố đen có thể tồn tại mà còn tiên đoán rằng chúng sẽ được hình thành trong tự nhiên khi có đủ khối lượng trong một vùng không gian nào đó và trải qua một quá trình gọi là suy sập hấp dẫn. Vì khối lượng bên trong vùng đó tăng lên, nên hấp dẫn của nó cũng mạnh lên, hay nói theo
ngôn ngữ của thuyết tương đối, không gian xung quanh bị biến dạng. Khi vận tốc thoát tại một khoảng cách nhất định từ tâm đạt đến vận tốc ánh sáng, thì một chân trời sự kiện được hình thành mà trong đó vật chất chắc chắn bị suy sập vào một điểm duy nhất, tạo nên một điểm kỳ dị. Các phân tích định lượng về điều này dẫn đến việc tiên đoán một ngôi sao có khối lượng khoảng ba lần khối lượng Mặt Trời, tại thời điểm cuối cùng trong quá trình tiến hóa hầu như chắc chắn sẽ co lại tới một kích thước tới hạn cần thiết để xảy ra suy sập hấp dẫn (thông thường các ngôi sao co lại chỉ dừng ở trạng thái sao neutron). Khi điều này xảy ra, không có bất kỳ lực vật lý nào có thể ngăn cản sự suy sập đó, và một hố đen được tạo thành. Sự suy sập của các ngôi sao sẽ tạo nên các hố đen có khối lượng ít nhất gấp ba lần khối lượng Mặt Trời. Các hố đen nhỏ hơn giới hạn này chỉ có thể được hình thành nếu vật chất chịu tác động của các áp lực khác ngoài lực hấp dẫn của chính ngôi sao. Áp lực vô cùng lớn cần thiết để có thể gây ra điều này có thể tồn tại vào những giai đoạn rất sớm của vũ trụ, có thể đã tạo nên các hố đen nguyên thủy có khối lượng nhỏ hơn nhiều lần khối lượng Mặt Trời. Các hố đen siêu lớn có thể có khối lượng gấp hàng triệu, hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời có thể được hình thành khi có một số lớn các ngôi sao
bị nén chặt trong một vùng không gian tương đối nhỏ, hoặc khi có một số lượng lớn các ngôi sao rơi vào một hố đen ban đầu, hoặc khi có sự hợp nhất của các hố đen nhỏ hơn. Người ta tin rằng điều kiện để các hiện tượng trên có thể xảy ra ở một số (nếu không muốn nói là hầu hết) tâm của các thiên hà, bao gồm cả Ngân Hà của chúng ta. Quan sát hố đen Vật chất rơi vào hố đen sẽ tập hợp lại với nhau tạo nên một đĩa gia tốc quay rất nhanh và rất nóng xung quanh hố đen trước khi bị nó nuốt. Ma sát xuất hiện tại những vùng lân cận đĩa làm cho đĩa trở nên vô vùng nóng và được thoát ra dưới dạng tia X. Các tính toán khác tiên đoán các hiệu ứng
trong đó các luồng hạt chuyển động rất nhanh với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng được phóng ra ở hai trục của đĩa. Lý thuyết cho thấy rằng chúng ta không thể quan sát hố đen một cách trực tiếp bằng ánh sáng phát xạ hoặc phản xạ vật chất bên trong hố đen. Tuy nhiên, các vật thể này có thể được quan sát một cách gián tiếp các hiện tượng xung quanh chúng như là thấu kính hấp dẫn và các ngôi sao chuyển động xung quanh một vật dường như vô hình. Hiệu ứng đáng nghi ngờ nhất là vật chất rơi vào hố đen (giống như nước đổ vào đường thoát nước) sẽ tập hợp lại với nhau tạo nên một đĩa gia tốc quay rất nhanh và rất nóng xung quanh hố đen trước khi bị nó nuốt. Ma sát xuất hiện tại những vùng lân cận đĩa làm cho đĩa trở nên vô vùng nóng và được thoát ra dưới dạng tia X. Quá trình nung nóng này cũng vô cùng hiệu quả và có thể biến 50% khối lượng của vật thể thành năng lượng bức xạ, trái ngược với phản ứng nhiệt hạch, trong đó, chỉ khoảng vài phần trăm khối lượng được biến thành năng lượng. Các tính toán khác tiên đoán các hiệu ứng trong đó các luồng hạt chuyển động rất nhanh với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng được phóng ra ở hai trục của đĩa. Tuy nhiên, các đĩa gia tốc, các luồng hạt chuyển động nhanh, các vật thể chuyển động xung quanh một vật vô hình không chỉ có thể do hố đen
gây ra mà còn có thể do các vật thể khác như các sao neutron chẳng hạn, và động lực học của các vật thể gần các "hố không đen" này rất giống như động lực học của các vật thể xung quanh hố đen và việc nghiên cứu về chúng là lĩnh vực nghiên cứu rất phức tạp và năng động hiện nay. Nó bao gồm ngành vật lý plasma và từ trường. Do đó, trong phần lớn các quan sát về đĩa gia tốc và chuyển động quỹ đạo chỉ cho biết về khối lượng của vật thể cô đặc mà thôi, chứ không cho biết về bản chất của vật thể đó. Việc xác định vật thể đó là hố đen yêu cầu các giả thuyết bổ sung là không có vật thể nào khác (hoặc các hệ liên kết với vật thể) có thể nặng và cô đặc đến thế. Phần lớn các nhà vật lý thiên văn chấp nhận rằng, trong trường hợp này, theo lý thuyết tương đối rộng, bất kỳ vật nào có mật độ vật chất đủ cao đều phải co lại thành một hố đen. Một khác biệt quan sát quan trọng giữa các hố đen và các ngôi sao đặc, nặng khác là bất kỳ vật chất rơi vào các vật thể nặng thì cuối cùng cũng phải va chạm với vật thể đó với một vận tốc rất lớn, dẫn đến việc lóe sáng dị thường của các tia X với cường độ rất mạnh cùng với các bức xạ khác. Cho nên, nếu không có các lóe sáng bức xạ như thế xung quanh vật thể cô đặc thì có thể được coi là bằng chứng để cho rằng nó là một hố đen, nơi mà không có bề mặt để vật chất có thể va đập vào đột ngột.
Chúng ta đã tìm thấy hố đen chưa? Nguồn tia X Cygnus X-1 được nhiều người cho rằng nó có thể là một hố đen có khối lượng bằng 10 lần khối lượng Mặt Trời quay xung quanh một ngôi sao kềnh xanh. Ngày nay, có khá nhiều những bằng chứng thiên văn gián tiếp về hai loại hố đen: Các hố đen khối lượng ngôi sao có khối lượng cỡ bằng các ngôi  sao bình thường (4 - 15 lần khối lượng Mặt Trời, và Các hố đen siêu nặng có khối lượng bằng một thiên hà.  Thêm vào đó, có một vài bằng chứng về các hố đen khối lượng trung bình có khối lượng vài ngàn lần khối lượng Mặt Trời. Đây có thể là các hố đen đang hình thành nên các hố đen siêu nặng.
Bằng chứng về các hố đen khối lượng ngôi sao chủ yếu được xác định bằng các đĩa gia tốc với kích thước và vận tốc vừa phải mà không có quá trình lóe sáng dị thường xuất hiện xung quanh các vật thể cô đặc. Các hố đen khối lượng ngôi sao có thể tạo ra các đợt bùng nổ tia gamma mặc dù các đợt bùng nổ này thường liên quan đến vụ nổ của các sao siêu mới hoặc các vật thể khác không phải hố đen [5] [6]. Bằng chứng về các hố đen có khối lượng lớn hơn lần đầu tiên được cho bởi các thiên hà bức xạ và các quasar do các nhà thiên văn vô tuyến phát hiện ra những năm 1960. Sự chuyển đổi rất hiệu quả từ khối lượng thành năng lượng nhờ ma sát trong đĩa gia tốc của một hố đen dường như là cách giải thích duy nhất cho nguồn năng lượng gần như vô tận của các vật thể này. Thực ra, việc đưa ra lý thuyết trên vào những năm 1970 đã hầu như loại bỏ các chống đối cho rằng các quasar là các thiên hà xa xôi, tức là, không có cơ chế nào có thể tạo một lượng năng lượng nhiều đến thế. Từ các quan sát vào những năm 1980 về chuyển động của các ngôi sao xung quanh tâm của thiên hà, người ta tin răng có những hố đen siêu nặng có mặt ở tâm của phần lớn các thiên hà, ngay cả Ngân Hà của chúng ta. Tinh vân Sagittarius A được coi là bằng chứng quan tin cậy nhất về sự tồn tại của một hố đen siêu nặng tại tâm của dải Ngân Hà.
Luồng hạt chuyển động nhanh phát ra từ thiên hà M87 đựoc cho là gây bởi một hố đen siêu nặng tại tâm của thiên hà đó. Bức tranh hiện nay là tất cả các thiên hà đều có thể có một hố đen siêu nặng ở tại tâm, và hố đen này nuốt khí và bụi ở vùng giữa thiên hà tạo nên lượng bức xạ khổng lồ. Quá trình này tiếp tục cho đến khi không c òn vật chất nào ở xung quanh nữa. Bức tranh này giải thích hợp lý về sự vắng mặt của nhiều các quasar gần đó. Mặc dù chưa hiểu về chi tiết, nhưng dường như là sự phát triển của hố đen liên quan mật thiết với các thiên hà có hình dáng tương tự hình cầu chứa nó như thiên hà hình e-líp, đám sao của thiên hà hình xoáy ốc. Điều thú vị là không có bằng chứng nào về sự có mặt của các hố đen nặng ở tâm các đám sao hình cầu, cho thấy sự khác biệt cơ bản giữa các đám sao hình cầu với các thiên hà. Hố đen siêu nhỏ
Việc hình thành các hố đen siêu nhỏ trên Trái Đất trong các máy gia tốc đã được công bố (xem thêm [7]) nhưng chưa được kiểm tra. Cho đế n nay, người ta vẫn chưa tìm thấy bằng chứng về hố đen nguyên thủy. Mô tả toán học Các hố đen được tiên đoán từ lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Đặc biệt là chúng xuất hiện trong nghiệm Schwarzschild, một trong những nghiệm đơn giản và sớm nhất của các phương trình Einstein do Karl Schwarzschild tìm ra vào năm 1915. Nghiệm này mô tả độ cong của không- thời gian trong vùng lân cận một vật thể đối xứng hình cầu trong không gian, nghiệm này là: , trong đó là góc khối chuẩn. Theo nghiệm Schwarzschild, một vật đang bị lực hấp dẫn tác dụng sẽ suy sập vào một hố đen nếu bán kính của nó nhỏ hơn một khoảng cách đặc trưng được gọi là bán kính Schwarzschild. Dưới bán kính này, không-thời gian bị cong đến nỗi bất kỳ ánh sáng được phát ra trong vùng này, bất kể hướng được phát ra, sẽ đi vào tâm của hệ này. Vì lý thuyết tương đối không cho phép bất kỳ vật thể nào chuyển động nhanh hơn ánh sáng, bất kỳ vật gì
nằm dưới bán kính Schwarzschild đều bị hút vào tâm tạo nên một kỳ dị hấp dẫn, một vùng có mật độ vô hạn về mặt lý thuyết. Vì ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát được nên hố đen cổ điển là hoàn toàn đen. Bán kính Schwarzschild được cho bởi công thức sau: Trong đó G là hằng số hấp dẫn, m là khối lượng của vật thể, và c là vận tốc ánh sáng. Đối với một vật thể có khối lượng bằng Trái Đất, bán kính Schwarzschild của nó bằng 9 mili mét. Mật độ trung bình bên trong bán kính Schwarzschild giảm khi khối lượng của hố đen tăng, do đó, nếu hố đen có khối lượng Trái Đất có mật độ là 2 × 1030 kg/m3, mật độ của một hố đen siêu nặng có khối lượng bằng 109 khối lượng Mặt Trời có mật độ khoảng 20 kg/m3, nhẹ hơn nước! Mật độ trung bình cho bởi ì Trái Đất có bán kính trung bình là 6371 km, thể tích của nó sẽ giảm 4 × 1026 lần để suy sập thành một hố đen. Một vật thể có khối lượng Mặt Trời, bán kính Schwarzschild xấp xỉ 3 km, nhỏ hơn bán kính hiện nay của Mặt Trời khoảng 700.000 km. Nó cũng nhỏ hơn đáng kể bán kính của Mặt Trời sau khi đốt hết nguyên liệu hạt nhân, hay vào khoảng vài ngàn km. Các ngôi sao nặng hơn có thể suy sập thành các hố đen khi kết thúc cuộc đời.
Các hố đen khác cũng có thể rút ra từ nghiệm các phương trình Einstein như là nghiệm Kerr cho các hố đen quay, trong đó có một kỳ dị vòng. Tiếp đến là nghiệm Reissner-Nordstrøm cho các hố đen tích điện. Nghiệm Kerr-Newman cuối cùng thể hiện trường hợp hố đen quay tích điện. Các khám phá mới Năm 2004, người ta phát thu được một đám các hố đen, mở rộng tầm hiểu biết của chúng ta về phân bố các hố đen trong vũ trụ. Phát hiện này làm cho các nhà khoa học phải xem xét lại số lượng các hố đen trong vũ trụ. Theo các tính toán, người ta tin rằng số lượng các hố đen nhiều hơn tính toán trước đây đến năm bậc. Tháng 7 năm 2004, các nhà thiên văn tìm thấy một hố đen khổng lồ Q0906+6930, tại tâm của một thiên hà xa xôi trong chòm sao Đại Hùng (Gấu Lớn, Ursa Major). Kích thước và tuổi của hố đen có thể cho phép xác định tuổi vũ trụ [8]. Tháng 11 năm 2004, một nhóm các nhà thiên văn công bố khám phá đầu tiên về hố đen khối lượng trung bình trong thiên hà của chúng ta, quay xung quanh Sagittarius A ở khoảng cách 3 năm ánh sáng. Hố đen trung b ình này có khối lượng 1.300 lần khối lượng Mặt Trời nằm trong một đám gồm
bảy ngôi sao, có thể là tàn dư của một đám sao lớn bị phần tâm của thiên hà tước đi phần lớn vật chất. (Tạp chí Nature)(bài gốc tiếng Anh). Quan sát này có thể củng cố ý tưởng về các hố đen siêu nặng phát triển bằng hấp thụ các hố đen và các ngôi sao nhỏ hơn. Tháng 5 năm 2005, một ngôi sao kềnh xanh SDSS J090745.0+24507 được tìm thấy đang rời khỏi Ngân Hà với vận tốc gấp đôi vận tốc thoát (0,0022 vận tốc ánh sáng). Người ta có thể lần theo lộ trình của ngôi sao đó ngược trở lại tâm của thiên hà. Mô hình thay thế Một vài mô hình thay thế tương tự như hố đen nhưng có thể tránh được điểm kỳ dị cũng được đưa ra. Nhưng phần lớn các nhà nghiên cứu nhận xét các khái niệm này chỉ mang tính nhân tạo, vì chúng phức tạp hơn nhưng lại không đưa ra các điểm khác biệt cơ bản với các hố đen. Lý thuyết có triển vọng nhất là lý thuyết Gravastar. Tháng 3 năm 2005, nhà vật lý George Chapline làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence ở California cho rằng các hố đen không tồn tại, và rằng các vật thể mà mọi người cho là các hố đen thực ra là các ngôi sao năng lượng đen. Ông đưa ra kết luận này từ các nghiên cứu cơ học lượng tử.
Mặc dù đề xuất của ông không được đông đảo các nhà vật lý ủng hộ, nhưng vẫn thu hút được nhiều quan tâm của công luận.