Lỗ đen là một trong những hiện tượng kỳ lạ nhất trong Vũ trụ. Dù thế nào đi nữa, ở giai đoạn phát triển này của con người. Đây là một vật thể có khối lượng và mật độ vô hạn, và do đó có lực hút, ngoài lực đó thì ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra - do đó lỗ có màu đen. Một lỗ đen siêu lớn có thể hút toàn bộ thiên hà mà không bị nghẹt thở, và bên ngoài chân trời sự kiện, vật lý thông thường bắt đầu rít lên và xoắn lại thành một nút thắt. Mặt khác, các lỗ đen có thể trở thành các “lỗ” chuyển tiếp tiềm năng từ nút không gian này sang nút không gian khác. Câu hỏi đặt ra là chúng ta có thể đến gần lỗ đen đến mức nào và liệu có hậu quả gì không?
Lỗ đen siêu lớn Sagittarius A*, nằm ở trung tâm thiên hà của chúng ta, không chỉ hút các vật thể ở gần mà còn phát ra bức xạ vô tuyến mạnh mẽ. Các nhà khoa học từ lâu đã cố gắng phân biệt những tia này nhưng chúng bị cản trở bởi ánh sáng tán xạ xung quanh lỗ. Cuối cùng, họ đã có thể vượt qua tiếng ồn ánh sáng bằng cách sử dụng 13 kính thiên văn, được kết hợp thành một hệ thống mạnh mẽ duy nhất. Sau đó, họ phát hiện ra những thông tin thú vị về những tia sáng bí ẩn trước đó.
Cách đây vài ngày, vào ngày 14 tháng 3, một trong những nhà vật lý xuất sắc nhất của thời đại chúng ta đã rời bỏ thế giới này,
Vũ trụ vô biên chứa đầy những bí mật, câu đố và nghịch lý. Mặc dù thực tế là khoa học hiện đại đã có một bước tiến vượt bậc trong việc khám phá không gian, nhưng thế giới quan rộng lớn này vẫn còn nhiều điều chưa thể hiểu được đối với thế giới quan của con người. Chúng ta biết rất nhiều về các ngôi sao, tinh vân, cụm sao và hành tinh. Tuy nhiên, trong sự rộng lớn của Vũ trụ có những vật thể mà chúng ta chỉ có thể đoán được sự tồn tại của chúng. Ví dụ, chúng ta biết rất ít về lỗ đen. Thông tin và kiến thức cơ bản về bản chất của lỗ đen đều dựa trên các giả định và phỏng đoán. Các nhà vật lý thiên văn và nhà khoa học hạt nhân đã phải vật lộn với vấn đề này trong nhiều thập kỷ. Lỗ đen trong không gian là gì? Bản chất của những đồ vật đó là gì?
Nói về lỗ đen một cách đơn giản
Để tưởng tượng lỗ đen trông như thế nào, bạn chỉ cần nhìn đuôi một đoàn tàu đang đi vào đường hầm. Đèn tín hiệu ở toa cuối cùng sẽ giảm kích thước khi tàu đi sâu vào đường hầm cho đến khi chúng hoàn toàn biến mất khỏi tầm nhìn. Nói cách khác, đây là những vật thể mà do lực hấp dẫn cực lớn, thậm chí ánh sáng cũng biến mất. Các hạt cơ bản, electron, proton và photon không thể vượt qua rào cản vô hình và rơi vào vực thẳm đen tối của hư vô, đó là lý do tại sao một lỗ hổng trong không gian như vậy được gọi là màu đen. Bên trong nó không có một chút ánh sáng nào, hoàn toàn là màu đen và vô tận. Những gì ở phía bên kia của lỗ đen vẫn chưa được biết.
Máy hút bụi không gian này có lực hấp dẫn khổng lồ và có thể hấp thụ toàn bộ thiên hà với tất cả các cụm và siêu đám sao, cùng với tinh vân và vật chất tối để khởi động. Làm thế nào điều này có thể xảy ra? Chúng tôi chỉ có thể đoán. Các định luật vật lý mà chúng ta biết trong trường hợp này đang bùng nổ và không đưa ra lời giải thích cho các quá trình đang diễn ra. Bản chất của nghịch lý là ở chỗ trong một phần nhất định của Vũ trụ, tương tác hấp dẫn của các vật thể được xác định bởi khối lượng của chúng. Quá trình hấp thụ của vật này sang vật khác không bị ảnh hưởng bởi thành phần định tính và định lượng của chúng. Các hạt, khi đạt đến một số lượng tới hạn trong một khu vực nhất định, sẽ bước vào một mức độ tương tác khác, trong đó lực hấp dẫn trở thành lực hấp dẫn. Một cơ thể, vật thể, chất hoặc vật chất bắt đầu nén lại dưới tác động của trọng lực, đạt đến mật độ khổng lồ.
Các quá trình tương tự xảy ra trong quá trình hình thành sao neutron, trong đó vật chất của sao bị nén về thể tích dưới tác động của trọng lực bên trong. Các electron tự do kết hợp với các proton để tạo thành các hạt trung hòa về điện - neutron. Mật độ của chất này là rất lớn. Một hạt vật chất có kích thước bằng một miếng đường tinh luyện nặng hàng tỷ tấn. Ở đây sẽ thích hợp để nhớ lại thuyết tương đối tổng quát, trong đó không gian và thời gian là những đại lượng liên tục. Do đó, quá trình nén không thể dừng lại giữa chừng và do đó không có giới hạn.
Có khả năng, lỗ đen trông giống như một lỗ trong đó có thể có sự chuyển tiếp từ phần không gian này sang phần không gian khác. Đồng thời, các tính chất của không gian và thời gian cũng thay đổi, xoắn lại thành một phễu không-thời gian. Khi đến đáy phễu này, mọi vật chất đều tan rã thành lượng tử. Phía bên kia của lỗ đen, lỗ khổng lồ này là gì? Có lẽ ngoài kia còn có một không gian khác nơi những định luật khác được áp dụng và thời gian trôi theo hướng ngược lại.
Trong bối cảnh của thuyết tương đối, lý thuyết về lỗ đen trông như thế này. Điểm trong không gian nơi lực hấp dẫn đã nén bất kỳ vật chất nào đến kích thước vi mô có lực hấp dẫn khổng lồ, độ lớn của lực này tăng đến vô cùng. Một nếp gấp thời gian xuất hiện, không gian uốn cong, đóng lại tại một điểm. Các vật thể bị lỗ đen nuốt chửng không thể chịu được lực kéo của chiếc máy hút bụi khổng lồ này một cách độc lập. Ngay cả tốc độ ánh sáng mà lượng tử sở hữu cũng không cho phép các hạt cơ bản vượt qua lực hấp dẫn. Bất kỳ cơ thể nào đạt đến điểm như vậy sẽ không còn là vật thể vật chất, hòa nhập với bong bóng không-thời gian.
Lỗ đen từ góc nhìn khoa học
Nếu bạn tự hỏi, lỗ đen hình thành như thế nào? Sẽ không có câu trả lời rõ ràng. Trong Vũ trụ có khá nhiều nghịch lý, mâu thuẫn mà không thể giải thích được dưới góc độ khoa học. Thuyết tương đối của Einstein chỉ cho phép giải thích một cách lý thuyết về bản chất của những vật thể đó, nhưng cơ học lượng tử và vật lý lại im lặng trong trường hợp này.
Cố gắng giải thích các quá trình xảy ra bằng các định luật vật lý, bức tranh sẽ như thế này. Một vật thể được hình thành do lực hấp dẫn khổng lồ của một vật thể vũ trụ khổng lồ hoặc siêu khối lượng. Quá trình này có tên khoa học - sự sụp đổ hấp dẫn. Thuật ngữ “lỗ đen” lần đầu tiên được biết đến trong cộng đồng khoa học vào năm 1968, khi nhà thiên văn học và vật lý học người Mỹ John Wheeler cố gắng giải thích trạng thái sụp đổ của các sao. Theo lý thuyết của ông, tại vị trí của một ngôi sao lớn đã trải qua sự suy sụp hấp dẫn, một khoảng cách không gian và thời gian xuất hiện, trong đó lực nén ngày càng tăng. Mọi thứ tạo nên ngôi sao đều đi vào bên trong chính nó.
Lời giải thích này cho phép chúng ta kết luận rằng bản chất của lỗ đen không hề có mối liên hệ nào với các quá trình xảy ra trong Vũ trụ. Mọi thứ xảy ra bên trong vật thể này không được phản ánh theo bất kỳ cách nào lên không gian xung quanh chỉ bằng một “NHƯNG”. Lực hấp dẫn của lỗ đen mạnh đến mức làm cong không gian, khiến các thiên hà quay quanh lỗ đen. Theo đó, lý do tại sao các thiên hà có dạng xoắn ốc trở nên rõ ràng. Không rõ sẽ mất bao lâu để thiên hà Milky Way khổng lồ biến mất vào vực thẳm của một lỗ đen siêu lớn. Một sự thật thú vị là các lỗ đen có thể xuất hiện ở bất cứ đâu ngoài không gian, nơi tạo ra điều kiện lý tưởng cho việc này. Sự gấp nếp của thời gian và không gian như vậy vô hiệu hóa tốc độ khổng lồ mà các ngôi sao quay và di chuyển trong không gian của thiên hà. Thời gian trong lỗ đen chảy theo một chiều không gian khác. Trong khu vực này, không có định luật hấp dẫn nào có thể được giải thích dưới dạng vật lý. Trạng thái này được gọi là điểm kỳ dị của lỗ đen.
Các lỗ đen không biểu hiện bất kỳ dấu hiệu nhận dạng bên ngoài nào; sự tồn tại của chúng có thể được đánh giá bằng hành vi của các vật thể không gian khác bị ảnh hưởng bởi trường hấp dẫn. Toàn bộ bức tranh về cuộc đấu tranh sinh tử diễn ra ở rìa của một lỗ đen được bao phủ bởi một lớp màng. Bề mặt phễu tưởng tượng này được gọi là “chân trời sự kiện”. Mọi thứ chúng ta thấy cho đến tận biên giới này đều là hữu hình và vật chất.
Kịch bản hình thành lỗ đen
Phát triển lý thuyết của John Wheeler, chúng ta có thể kết luận rằng bí ẩn về lỗ đen rất có thể không nằm trong quá trình hình thành của nó. Sự hình thành lỗ đen xảy ra do sự sụp đổ của sao neutron. Hơn nữa, khối lượng của một vật thể như vậy phải vượt quá khối lượng Mặt trời từ ba lần trở lên. Ngôi sao neutron co lại cho đến khi ánh sáng của chính nó không còn khả năng thoát khỏi vòng ôm chặt của trọng lực. Có một giới hạn về kích thước mà một ngôi sao có thể co lại để tạo ra một lỗ đen. Bán kính này được gọi là bán kính hấp dẫn. Những ngôi sao khổng lồ ở giai đoạn phát triển cuối cùng của chúng phải có bán kính hấp dẫn vài km.
Ngày nay, các nhà khoa học đã thu được bằng chứng gián tiếp về sự hiện diện của lỗ đen trong hàng chục ngôi sao đôi tia X. Các sao tia X, sao xung hoặc vụ nổ không có bề mặt rắn. Ngoài ra, khối lượng của chúng còn lớn hơn khối lượng của ba Mặt trời. Trạng thái hiện tại của không gian bên ngoài trong chòm sao Cygnus - ngôi sao tia X Cygnus X-1, cho phép chúng ta theo dõi quá trình hình thành những vật thể tò mò này.
Dựa trên các giả định nghiên cứu và lý thuyết, ngày nay trong khoa học có 4 kịch bản về sự hình thành sao đen:
- sự suy sụp hấp dẫn của một ngôi sao lớn ở giai đoạn tiến hóa cuối cùng của nó;
- sự sụp đổ của vùng trung tâm thiên hà;
- sự hình thành các lỗ đen trong Vụ nổ lớn;
- sự hình thành các lỗ đen lượng tử.
Kịch bản đầu tiên là thực tế nhất, nhưng số lượng sao đen mà chúng ta quen thuộc ngày nay vượt quá số lượng sao neutron đã biết. Và tuổi của Vũ trụ không lớn đến mức một số lượng sao khổng lồ như vậy có thể trải qua toàn bộ quá trình tiến hóa.
Kịch bản thứ hai có quyền có sự sống và có một ví dụ nổi bật về điều này - lỗ đen siêu lớn Sagittarius A*, nép mình ở trung tâm thiên hà của chúng ta. Khối lượng của vật thể này là 3,7 khối lượng mặt trời. Cơ chế của kịch bản này tương tự như kịch bản sụp đổ do hấp dẫn, với điểm khác biệt duy nhất là không phải ngôi sao sụp đổ mà là khí liên sao. Dưới tác dụng của lực hấp dẫn, khí bị nén đến khối lượng và mật độ tới hạn. Vào thời điểm quan trọng, vật chất phân rã thành lượng tử, tạo thành lỗ đen. Tuy nhiên, giả thuyết này đang bị nghi ngờ, vì gần đây các nhà thiên văn học tại Đại học Columbia đã xác định được các vệ tinh của lỗ đen Sagittarius A*. Hóa ra chúng là nhiều lỗ đen nhỏ, có lẽ được hình thành theo một cách khác.
Kịch bản thứ ba mang tính lý thuyết nhiều hơn và gắn liền với sự tồn tại của thuyết Big Bang. Vào thời điểm vũ trụ hình thành, một phần vật chất và trường hấp dẫn trải qua những biến động. Nói cách khác, các quá trình này đi theo một con đường khác, không liên quan đến các quá trình đã biết của cơ học lượng tử và vật lý hạt nhân.
Kịch bản cuối cùng tập trung vào tính chất vật lý của vụ nổ hạt nhân. Trong các khối vật chất, trong các phản ứng hạt nhân dưới tác dụng của lực hấp dẫn, một vụ nổ xảy ra, tại đó một lỗ đen được hình thành. Vật chất bùng nổ vào bên trong, hấp thụ mọi hạt.
Sự tồn tại và tiến hóa của lỗ đen
Có một ý tưởng sơ bộ về bản chất của những vật thể không gian kỳ lạ như vậy, còn một điều thú vị khác. Kích thước thực sự của lỗ đen là bao nhiêu và chúng phát triển nhanh như thế nào? Kích thước của lỗ đen được xác định bởi bán kính hấp dẫn của chúng. Đối với lỗ đen, bán kính của lỗ đen được xác định bởi khối lượng của nó và được gọi là bán kính Schwarzschild. Ví dụ: nếu một vật thể có khối lượng bằng khối lượng hành tinh của chúng ta thì bán kính Schwarzschild trong trường hợp này là 9 mm. Ngôi sao chính của chúng ta có bán kính 3 km. Mật độ trung bình của một lỗ đen hình thành thay cho một ngôi sao có khối lượng bằng 10⁸ khối lượng mặt trời sẽ gần bằng mật độ của nước. Bán kính của đội hình như vậy sẽ là 300 triệu km.
Rất có thể những lỗ đen khổng lồ như vậy nằm ở trung tâm các thiên hà. Cho đến nay, 50 thiên hà đã được biết đến, ở trung tâm của chúng có những giếng không gian và thời gian khổng lồ. Khối lượng của những người khổng lồ như vậy là hàng tỷ khối lượng Mặt trời. Người ta chỉ có thể tưởng tượng một cái lỗ như vậy có lực hút khổng lồ và khủng khiếp như thế nào.
Đối với các lỗ nhỏ, đây là những vật thể nhỏ, bán kính của chúng đạt giá trị không đáng kể, chỉ 10¯¹² cm. Khối lượng của những mảnh vụn như vậy là 10¹⁴g. Những đội hình như vậy xuất hiện vào thời điểm xảy ra Vụ nổ lớn, nhưng theo thời gian, chúng tăng kích thước và ngày nay phô trương ở ngoài vũ trụ như những con quái vật. Các nhà khoa học hiện đang cố gắng tái tạo các điều kiện mà các lỗ đen nhỏ hình thành trong điều kiện trên cạn. Với mục đích này, các thí nghiệm được thực hiện trong máy va chạm điện tử, qua đó các hạt cơ bản được gia tốc đến tốc độ ánh sáng. Các thí nghiệm đầu tiên có thể thu được plasma quark-gluon trong điều kiện phòng thí nghiệm - vật chất tồn tại vào buổi bình minh của sự hình thành Vũ trụ. Những thí nghiệm như vậy cho phép chúng ta hy vọng rằng lỗ đen trên Trái đất chỉ là vấn đề thời gian. Một điều nữa là liệu thành tựu khoa học nhân loại như vậy có trở thành thảm họa cho chúng ta và hành tinh của chúng ta hay không. Bằng cách tạo ra một lỗ đen nhân tạo, chúng ta có thể mở được chiếc hộp Pandora.
Những quan sát gần đây về các thiên hà khác đã cho phép các nhà khoa học khám phá ra các lỗ đen có kích thước vượt quá mọi mong đợi và giả định có thể tưởng tượng được. Quá trình tiến hóa xảy ra với những vật thể như vậy cho phép chúng ta hiểu rõ hơn tại sao khối lượng của lỗ đen lại tăng lên và giới hạn thực sự của nó là bao nhiêu. Các nhà khoa học đã kết luận rằng tất cả các lỗ đen được biết đến đều phát triển đến kích thước thực tế trong vòng 13-14 tỷ năm. Sự khác biệt về kích thước được giải thích bởi mật độ của không gian xung quanh. Nếu một lỗ đen có đủ thức ăn trong tầm lực hấp dẫn của nó, nó sẽ phát triển nhảy vọt, đạt tới khối lượng hàng trăm hoặc hàng nghìn lần khối lượng mặt trời. Do đó kích thước khổng lồ của những vật thể như vậy nằm ở trung tâm các thiên hà. Một cụm sao khổng lồ, khối khí khổng lồ giữa các vì sao cung cấp nguồn thức ăn dồi dào cho sự phát triển. Khi các thiên hà hợp nhất, các lỗ đen có thể hợp nhất với nhau để tạo thành một vật thể siêu nặng mới.
Đánh giá bằng cách phân tích các quá trình tiến hóa, người ta thường phân biệt hai loại lỗ đen:
- vật thể có khối lượng gấp 10 lần khối lượng mặt trời;
- những vật thể khổng lồ có khối lượng gấp hàng trăm nghìn, hàng tỷ lần khối lượng mặt trời.
Có những lỗ đen có khối lượng trung bình bằng 100-10 nghìn khối lượng mặt trời nhưng bản chất của chúng vẫn chưa được biết đến. Có khoảng một vật thể như vậy trong mỗi thiên hà. Nghiên cứu về các sao tia X giúp tìm thấy hai lỗ đen có khối lượng trung bình ở khoảng cách 12 triệu năm ánh sáng trong thiên hà M82. Khối lượng của một vật thể thay đổi trong khoảng 200-800 khối lượng mặt trời. Vật thể còn lại lớn hơn nhiều và có khối lượng bằng 10-40 nghìn khối lượng mặt trời. Số phận của những đồ vật như vậy thật thú vị. Chúng nằm gần các cụm sao, dần dần bị thu hút bởi lỗ đen siêu lớn nằm ở phần trung tâm của thiên hà.
Hành tinh của chúng ta và các lỗ đen
Bất chấp việc tìm kiếm manh mối về bản chất của lỗ đen, thế giới khoa học vẫn lo ngại về vị trí và vai trò của lỗ đen đối với số phận của thiên hà Milky Way và đặc biệt là số phận của hành tinh Trái đất. Nếp gấp thời gian và không gian tồn tại ở trung tâm Dải Ngân hà dần dần hấp thụ tất cả các vật thể hiện có xung quanh nó. Hàng triệu ngôi sao và hàng nghìn tỷ tấn khí liên sao đã bị nuốt chửng trong lỗ đen. Theo thời gian, sẽ đến lượt Thiên Nga và Nhân Mã, nơi tọa lạc của Hệ Mặt trời, bao phủ khoảng cách 27 nghìn năm ánh sáng.
Lỗ đen siêu lớn gần nhất khác nằm ở phần trung tâm của thiên hà Andromeda. Nó cách chúng ta khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng. Có lẽ, trước khi vật thể Nhân Mã A* của chúng ta nhấn chìm thiên hà của chính nó, chúng ta sẽ mong đợi sự hợp nhất của hai thiên hà lân cận. Theo đó, hai lỗ đen siêu lớn sẽ hợp nhất thành một, có kích thước khủng khiếp và khổng lồ.
Lỗ đen nhỏ là một vấn đề hoàn toàn khác. Để nuốt chửng hành tinh Trái đất, một lỗ đen có bán kính vài cm là đủ. Vấn đề là về bản chất, lỗ đen là một vật thể hoàn toàn không có khuôn mặt. Không có bức xạ hay bức xạ nào phát ra từ bụng của nó nên khá khó để nhận ra một vật thể bí ẩn như vậy. Chỉ ở cự ly gần, bạn mới có thể phát hiện ra sự bẻ cong của ánh sáng nền, điều này cho thấy có một lỗ hổng trong không gian ở vùng này của Vũ trụ.
Đến nay, các nhà khoa học đã xác định được lỗ đen gần Trái đất nhất là vật thể V616 Monocerotis. Con quái vật này nằm cách hệ thống của chúng ta 3000 năm ánh sáng. Đây là một hệ tầng có kích thước lớn, khối lượng của nó bằng 9-13 khối lượng mặt trời. Một vật thể lân cận khác gây ra mối đe dọa cho thế giới của chúng ta là lỗ đen Gygnus X-1. Chúng ta cách con quái vật này khoảng cách 6.000 năm ánh sáng. Các lỗ đen được phát hiện trong vùng lân cận của chúng ta là một phần của hệ thống nhị phân, tức là tồn tại rất gần với ngôi sao nuôi dưỡng vật thể vô độ.
Phần kết luận
Sự tồn tại của những vật thể huyền bí và bí ẩn trong không gian như lỗ đen chắc chắn buộc chúng ta phải cảnh giác. Tuy nhiên, mọi thứ xảy ra với lỗ đen xảy ra khá hiếm, do độ tuổi của Vũ trụ và khoảng cách rộng lớn. Trong 4,5 tỷ năm, hệ mặt trời đã đứng yên, tồn tại theo những quy luật mà chúng ta đã biết. Trong thời gian này, không có gì giống như thế này, không có sự biến dạng của không gian hay nếp gấp của thời gian, xuất hiện gần Hệ Mặt trời. Có lẽ không có điều kiện thích hợp cho việc này. Phần của Dải Ngân hà nơi hệ thống sao Mặt trời cư trú là một khu vực không gian yên tĩnh và ổn định.
Các nhà khoa học thừa nhận sự xuất hiện của hố đen không phải ngẫu nhiên. Những vật thể như vậy đóng vai trò trật tự trong Vũ trụ, phá hủy các thiên thể dư thừa. Về số phận của những con quái vật, quá trình tiến hóa của chúng vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Có quan điểm cho rằng lỗ đen không tồn tại vĩnh viễn và đến một giai đoạn nhất định có thể không còn tồn tại. Việc những vật thể như vậy tượng trưng cho những nguồn năng lượng mạnh mẽ không còn là điều bí mật nữa. Nó là loại năng lượng gì và nó được đo như thế nào lại là một vấn đề khác.
Thông qua nỗ lực của Stephen Hawking, khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng lỗ đen vẫn phát ra năng lượng khi mất đi khối lượng. Trong các giả định của mình, nhà khoa học được hướng dẫn bởi thuyết tương đối, trong đó tất cả các quá trình đều có liên quan với nhau. Không có gì biến mất mà không xuất hiện ở một nơi nào khác. Bất kỳ vật chất nào cũng có thể được chuyển hóa thành chất khác, với một loại năng lượng chuyển sang mức năng lượng khác. Điều này có thể xảy ra với lỗ đen, là cổng chuyển tiếp từ trạng thái này sang trạng thái khác.
Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, hãy để lại trong phần bình luận bên dưới bài viết. Chúng tôi hoặc khách truy cập của chúng tôi sẽ vui lòng trả lời họ
Trong số tất cả các vật thể được nhân loại biết đến nằm ngoài không gian, lỗ đen tạo ra ấn tượng kỳ lạ và khó hiểu nhất. Cảm giác này bao trùm hầu hết mọi người khi nhắc đến lỗ đen, mặc dù thực tế là nhân loại đã biết về chúng hơn một thế kỷ rưỡi. Kiến thức đầu tiên về những hiện tượng này đã có được từ rất lâu trước khi Einstein công bố thuyết tương đối. Nhưng xác nhận thực sự về sự tồn tại của những vật thể này đã được nhận cách đây không lâu.
Tất nhiên, các lỗ đen thực sự nổi tiếng vì những đặc điểm vật lý kỳ lạ của chúng, điều này làm nảy sinh nhiều bí ẩn hơn nữa trong Vũ trụ. Họ dễ dàng thách thức mọi định luật vật lý và cơ học vũ trụ. Để hiểu tất cả các chi tiết và nguyên tắc tồn tại của một hiện tượng như lỗ vũ trụ, chúng ta cần làm quen với những thành tựu hiện đại trong thiên văn học và sử dụng trí tưởng tượng của mình, ngoài ra, chúng ta sẽ phải vượt ra ngoài những khái niệm tiêu chuẩn. Để dễ hiểu và làm quen hơn với các lỗ hổng vũ trụ, cổng thông tin điện tử đã chuẩn bị rất nhiều thông tin thú vị liên quan đến các hiện tượng này trong Vũ trụ.
Đặc điểm của lỗ đen từ trang cổng thông tin
Trước hết, cần lưu ý rằng các lỗ đen không tự nhiên xuất hiện mà chúng được hình thành từ những ngôi sao có kích thước và khối lượng khổng lồ. Hơn nữa, đặc điểm lớn nhất và độc đáo nhất của mỗi lỗ đen là chúng có lực hấp dẫn rất mạnh. Lực hút của vật thể vào lỗ đen vượt quá vận tốc thoát thứ hai. Các chỉ số trọng lực như vậy cho thấy rằng ngay cả các tia sáng cũng không thể thoát khỏi trường hoạt động của lỗ đen, vì chúng có tốc độ thấp hơn nhiều.
Điểm đặc biệt của lực hấp dẫn là nó thu hút tất cả các vật thể ở gần. Vật thể càng lớn đi qua vùng lân cận lỗ đen thì càng nhận được nhiều ảnh hưởng và lực hút. Theo đó, chúng ta có thể kết luận rằng vật thể càng lớn thì bị lỗ đen hút càng mạnh, và để tránh được ảnh hưởng đó thì thiên thể phải có tốc độ chuyển động rất cao.
Cũng cần lưu ý rằng trong toàn bộ Vũ trụ không có vật thể nào có thể tránh được lực hút của lỗ đen nếu nó ở rất gần, vì ngay cả luồng ánh sáng nhanh nhất cũng không thể thoát khỏi ảnh hưởng này. Lý thuyết tương đối do Einstein phát triển là lý thuyết tuyệt vời để tìm hiểu các đặc điểm của lỗ đen. Theo lý thuyết này, lực hấp dẫn có thể tác động đến thời gian và làm biến dạng không gian. Nó cũng phát biểu rằng một vật thể ở ngoài không gian càng lớn thì thời gian càng chậm lại. Ở vùng lân cận của lỗ đen, thời gian dường như dừng lại hoàn toàn. Nếu một tàu vũ trụ đi vào trường hoạt động của một lỗ không gian, người ta sẽ quan sát xem nó sẽ giảm tốc độ như thế nào khi đến gần và cuối cùng biến mất hoàn toàn.
Bạn không nên quá sợ hãi trước những hiện tượng như lỗ đen và tin vào tất cả những thông tin phản khoa học có thể tồn tại ở thời điểm hiện tại. Trước hết, chúng ta cần xóa tan quan niệm hoang đường phổ biến nhất rằng lỗ đen có thể hút tất cả vật chất và vật thể xung quanh chúng, và khi làm như vậy, chúng ngày càng lớn hơn và hấp thụ ngày càng nhiều hơn. Không có điều nào trong số này là hoàn toàn đúng. Vâng, thực sự, chúng có thể hấp thụ các vật thể và vật chất vũ trụ, nhưng chỉ những vật chất ở một khoảng cách nhất định với chính lỗ hổng. Ngoài lực hấp dẫn mạnh mẽ, chúng không khác nhiều so với những ngôi sao bình thường có khối lượng khổng lồ. Ngay cả khi Mặt trời của chúng ta biến thành lỗ đen, nó sẽ chỉ có thể hút các vật thể nằm ở khoảng cách ngắn và tất cả các hành tinh sẽ vẫn quay theo quỹ đạo thông thường của chúng.
Chuyển sang thuyết tương đối, chúng ta có thể kết luận rằng mọi vật thể có lực hấp dẫn mạnh đều có thể ảnh hưởng đến độ cong của thời gian và không gian. Ngoài ra, khối lượng cơ thể càng lớn thì độ biến dạng sẽ càng mạnh. Vì vậy, gần đây, các nhà khoa học đã có thể nhìn thấy điều này trong thực tế, khi họ có thể chiêm ngưỡng những vật thể khác mà lẽ ra mắt chúng ta không thể tiếp cận được do các vật thể vũ trụ khổng lồ như các thiên hà hoặc lỗ đen. Tất cả điều này có thể xảy ra do các tia sáng truyền gần từ lỗ đen hoặc vật thể khác bị uốn cong rất mạnh dưới tác động của lực hấp dẫn của chúng. Kiểu biến dạng này cho phép các nhà khoa học nhìn xa hơn vào không gian bên ngoài. Nhưng với những nghiên cứu như vậy, rất khó xác định được vị trí thực sự của thi thể đang được nghiên cứu.
Lỗ đen không xuất hiện từ đâu cả; chúng được hình thành do vụ nổ của các ngôi sao siêu lớn. Hơn nữa, để một lỗ đen hình thành, khối lượng của ngôi sao phát nổ phải lớn hơn khối lượng Mặt trời ít nhất mười lần. Mỗi ngôi sao tồn tại nhờ các phản ứng nhiệt hạch diễn ra bên trong ngôi sao. Trong trường hợp này, một hợp kim hydro được giải phóng trong quá trình nhiệt hạch, nhưng nó không thể rời khỏi vùng ảnh hưởng của ngôi sao, vì trọng lực của nó hút hydro trở lại. Toàn bộ quá trình này cho phép các ngôi sao tồn tại. Sự tổng hợp hydro và lực hấp dẫn của sao là những cơ chế hoạt động khá tốt, nhưng sự phá vỡ sự cân bằng này có thể dẫn đến vụ nổ sao. Trong hầu hết các trường hợp, nguyên nhân là do cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân.
Tùy thuộc vào khối lượng của ngôi sao, có thể xảy ra một số kịch bản về sự phát triển của chúng sau vụ nổ. Do đó, các ngôi sao lớn tạo thành trường xảy ra vụ nổ siêu tân tinh và hầu hết chúng vẫn ở phía sau lõi của ngôi sao trước đây; các phi hành gia gọi những vật thể đó là Sao lùn trắng. Trong hầu hết các trường hợp, một đám mây khí hình thành xung quanh các vật thể này, được giữ cố định bởi lực hấp dẫn của sao lùn. Một con đường khác cho sự phát triển của các ngôi sao siêu lớn cũng có thể xảy ra, trong đó lỗ đen sinh ra sẽ hút rất mạnh toàn bộ vật chất của ngôi sao về tâm của nó, điều này sẽ dẫn đến sự nén mạnh của nó.
Những vật thể bị nén như vậy được gọi là sao neutron. Trong những trường hợp hiếm hoi nhất, sau vụ nổ của một ngôi sao, sự hình thành lỗ đen theo cách hiểu được chấp nhận của chúng ta về hiện tượng này là có thể xảy ra. Nhưng để tạo ra một lỗ trống, khối lượng của ngôi sao phải rất khổng lồ. Trong trường hợp này, khi sự cân bằng của các phản ứng hạt nhân bị phá vỡ, lực hấp dẫn của ngôi sao sẽ trở nên điên cuồng. Đồng thời, nó bắt đầu tích cực sụp đổ, sau đó nó chỉ trở thành một điểm trong không gian. Nói cách khác, chúng ta có thể nói rằng ngôi sao với tư cách là một vật thể vật chất không còn tồn tại. Mặc dù thực tế là nó đã biến mất nhưng một lỗ đen có cùng trọng lực và khối lượng vẫn được hình thành đằng sau nó.
Chính sự sụp đổ của các ngôi sao dẫn đến việc chúng biến mất hoàn toàn, và ở vị trí của chúng, một lỗ đen được hình thành với những đặc tính vật lý giống như ngôi sao biến mất. Sự khác biệt duy nhất là mức độ nén của lỗ lớn hơn thể tích của ngôi sao. Đặc điểm quan trọng nhất của tất cả các lỗ đen là điểm kỳ dị của chúng, yếu tố quyết định tâm của nó. Khu vực này thách thức mọi định luật vật lý, vật chất và không gian không còn tồn tại. Để hiểu khái niệm điểm kỳ dị, chúng ta có thể nói rằng đây là một rào cản được gọi là chân trời sự kiện vũ trụ. Nó cũng là ranh giới bên ngoài của lỗ đen. Điểm kỳ dị có thể được gọi là điểm không thể quay trở lại, vì ở đó lực hấp dẫn khổng lồ của lỗ bắt đầu tác dụng. Ngay cả ánh sáng vượt qua rào cản này cũng không thể thoát ra được.
Chân trời sự kiện có tác dụng hấp dẫn thu hút mọi vật thể ở tốc độ ánh sáng; khi bạn tiếp cận chính lỗ đen, các chỉ số tốc độ còn tăng lên nhiều hơn nữa. Đó là lý do tại sao tất cả các vật thể nằm trong vùng tác dụng của lực này đều sẽ bị hút vào lỗ. Cần lưu ý rằng các lực như vậy có khả năng làm biến đổi một vật thể bị tác động bởi lực hút đó, sau đó chúng căng ra thành một sợi dây mỏng và sau đó hoàn toàn không còn tồn tại trong không gian.
Khoảng cách giữa chân trời sự kiện và điểm kỳ dị có thể khác nhau; không gian này được gọi là bán kính Schwarzschild. Đó là lý do tại sao kích thước của lỗ đen càng lớn thì phạm vi hoạt động sẽ càng lớn. Ví dụ, chúng ta có thể nói rằng một lỗ đen có khối lượng bằng Mặt trời của chúng ta sẽ có bán kính Schwarzschild là ba km. Theo đó, các lỗ đen lớn có phạm vi hoạt động lớn hơn.
Việc tìm kiếm lỗ đen là một quá trình khá khó khăn vì ánh sáng không thể thoát ra khỏi chúng. Vì vậy, việc tìm kiếm và định nghĩa chỉ dựa trên bằng chứng gián tiếp về sự tồn tại của chúng. Phương pháp đơn giản nhất mà các nhà khoa học sử dụng để tìm ra chúng là tìm kiếm chúng bằng cách tìm những địa điểm trong không gian tối nếu chúng có khối lượng lớn. Trong hầu hết các trường hợp, các nhà thiên văn học tìm được lỗ đen trong các hệ sao đôi hoặc ở trung tâm các thiên hà.
Hầu hết các nhà thiên văn học đều có xu hướng tin rằng cũng có một lỗ đen siêu mạnh ở trung tâm thiên hà của chúng ta. Tuyên bố này đặt ra câu hỏi, liệu lỗ hổng này có thể nuốt chửng mọi thứ trong thiên hà của chúng ta hay không? Trên thực tế, điều này là không thể, vì bản thân lỗ trống có khối lượng bằng các ngôi sao, vì nó được tạo ra từ ngôi sao. Hơn nữa, mọi tính toán của các nhà khoa học đều không báo trước được bất kỳ sự kiện toàn cầu nào liên quan đến vật thể này. Hơn nữa, trong hàng tỷ năm nữa, các thiên thể trong thiên hà của chúng ta sẽ lặng lẽ xoay quanh lỗ đen này mà không có bất kỳ thay đổi nào. Bằng chứng về sự tồn tại của một lỗ hổng ở trung tâm Dải Ngân hà có thể thu được từ sóng tia X được các nhà khoa học ghi lại. Và hầu hết các nhà thiên văn học đều có xu hướng tin rằng các lỗ đen đang tích cực phát ra chúng với số lượng khổng lồ.
Khá thường xuyên trong thiên hà của chúng ta có những hệ sao bao gồm hai ngôi sao và thường một trong số chúng có thể trở thành lỗ đen. Trong phiên bản này, lỗ đen hấp thụ tất cả các vật thể trên đường đi của nó, trong khi vật chất bắt đầu quay xung quanh nó, do đó cái gọi là đĩa gia tốc được hình thành. Điểm đặc biệt là nó tăng tốc độ quay và di chuyển về gần tâm hơn. Chính vật chất rơi vào giữa lỗ đen sẽ phát ra tia X và bản thân vật chất đó sẽ bị phá hủy.
Các hệ sao đôi là ứng cử viên đầu tiên cho trạng thái lỗ đen. Trong những hệ thống như vậy, dễ dàng tìm thấy lỗ đen nhất; do thể tích của ngôi sao nhìn thấy được nên có thể tính toán được các chỉ số của người anh em vô hình của nó. Hiện tại, ứng cử viên đầu tiên cho trạng thái lỗ đen có thể là một ngôi sao thuộc chòm sao Cygnus, ngôi sao tích cực phát ra tia X.
Kết luận từ tất cả những điều trên về lỗ đen, chúng ta có thể nói rằng chúng không phải là những hiện tượng nguy hiểm đến vậy; tất nhiên, trong trường hợp ở gần, chúng là những vật thể mạnh nhất ngoài vũ trụ do lực hấp dẫn. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng chúng không có gì khác biệt đặc biệt so với các vật thể khác; đặc điểm chính của chúng là trường hấp dẫn mạnh.
Một số lượng lớn lý thuyết đã được đề xuất liên quan đến mục đích của lỗ đen, một số trong đó thậm chí còn vô lý. Vì vậy, theo một trong số họ, các nhà khoa học tin rằng lỗ đen có thể sinh ra các thiên hà mới. Lý thuyết này dựa trên thực tế rằng thế giới của chúng ta là nơi khá thuận lợi cho nguồn gốc của sự sống, nhưng nếu một trong những yếu tố thay đổi thì sự sống sẽ không thể tồn tại được. Do đó, điểm kỳ dị và đặc thù của những thay đổi về tính chất vật lý trong lỗ đen có thể tạo ra một Vũ trụ hoàn toàn mới, sẽ khác biệt đáng kể so với vũ trụ của chúng ta. Nhưng đây chỉ là một lý thuyết và là một lý thuyết khá yếu vì thực tế là không có bằng chứng nào về tác động như vậy của lỗ đen.
Còn đối với lỗ đen, chúng không chỉ có thể hấp thụ vật chất mà còn có thể bốc hơi. Một hiện tượng tương tự đã được chứng minh cách đây vài thập kỷ. Sự bốc hơi này có thể khiến lỗ đen mất toàn bộ khối lượng và sau đó biến mất hoàn toàn.
Tất cả đây chỉ là những thông tin nhỏ nhất về lỗ đen mà bạn có thể tìm hiểu trên trang web cổng thông tin. Chúng ta cũng có một lượng lớn thông tin thú vị về các hiện tượng vũ trụ khác.
Ngày 24 tháng 1 năm 2013
Trong số tất cả các vật thể giả định trong Vũ trụ được các lý thuyết khoa học dự đoán, lỗ đen gây ấn tượng kỳ lạ nhất. Và, mặc dù những gợi ý về sự tồn tại của chúng đã bắt đầu được đưa ra gần một thế kỷ rưỡi trước khi Einstein công bố thuyết tương đối rộng, nhưng chỉ gần đây mới có được bằng chứng thuyết phục về sự tồn tại của chúng.
Hãy bắt đầu với cách thuyết tương đối tổng quát giải quyết câu hỏi về bản chất của lực hấp dẫn. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton phát biểu rằng giữa hai vật thể có khối lượng bất kỳ trong Vũ trụ đều có một lực hút lẫn nhau. Do lực hấp dẫn này mà Trái đất quay quanh Mặt trời. Thuyết tương đối rộng buộc chúng ta phải nhìn hệ Mặt Trời-Trái Đất theo một cách khác. Theo lý thuyết này, với sự hiện diện của một thiên thể khổng lồ như Mặt trời, không-thời gian dường như sụp đổ dưới sức nặng của nó, và tính đồng nhất của kết cấu của nó bị phá vỡ. Hãy tưởng tượng một tấm bạt lò xo đàn hồi có một quả bóng nặng (ví dụ, từ sân chơi bowling) nằm trên đó. Vải bị kéo căng uốn cong dưới sức nặng của nó, tạo ra chân không xung quanh nó. Theo cách tương tự, Mặt trời đẩy không-thời gian xung quanh nó.
Theo bức tranh này, Trái đất chỉ đơn giản lăn quanh phễu thu được (ngoại trừ việc một quả bóng nhỏ lăn quanh một quả nặng trên tấm bạt lò xo chắc chắn sẽ mất tốc độ và chuyển động xoắn ốc gần quả bóng lớn hơn). Và cái mà chúng ta thường coi là lực hấp dẫn trong cuộc sống hàng ngày cũng không gì khác hơn là một sự thay đổi trong hình học của không-thời gian, chứ không phải là lực theo cách hiểu của Newton. Ngày nay, không có lời giải thích nào về bản chất của lực hấp dẫn thành công hơn thuyết tương đối tổng quát mang lại cho chúng ta.
Bây giờ hãy tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta, trong khuôn khổ bức tranh được đề xuất, tăng và tăng khối lượng của một quả bóng nặng mà không làm tăng kích thước vật lý của nó? Hoàn toàn đàn hồi, cái phễu sẽ sâu hơn cho đến khi các cạnh trên của nó hội tụ ở một nơi nào đó cao phía trên quả bóng hoàn toàn nặng, và sau đó nó sẽ đơn giản không còn tồn tại khi nhìn từ bề mặt. Trong Vũ trụ thực, khi đã tích lũy đủ khối lượng và mật độ vật chất, một vật thể sẽ đóng sập một cái bẫy không-thời gian xung quanh nó, kết cấu của không-thời gian đóng lại và nó mất liên lạc với phần còn lại của Vũ trụ, trở nên vô hình đối với nó. Đây là cách một lỗ đen xuất hiện.
Schwarzschild và những người cùng thời với ông tin rằng những vật thể không gian kỳ lạ như vậy không tồn tại trong tự nhiên. Bản thân Einstein không chỉ tuân thủ quan điểm này mà còn lầm tưởng rằng ông đã thành công trong việc chứng minh quan điểm của mình về mặt toán học.
Vào những năm 1930, nhà vật lý thiên văn trẻ người Ấn Độ Chandrasekhar đã chứng minh rằng một ngôi sao tiêu thụ nhiên liệu hạt nhân sẽ bong ra lớp vỏ và biến thành một sao lùn trắng nguội dần chỉ khi khối lượng của nó nhỏ hơn 1,4 khối lượng Mặt Trời. Chẳng bao lâu sau, Fritz Zwicky người Mỹ đã nhận ra rằng các vụ nổ siêu tân tinh tạo ra các khối vật chất neutron cực kỳ dày đặc; Sau đó, Lev Landau cũng đi đến kết luận tương tự. Sau công trình của Chandrasekhar, rõ ràng là chỉ những ngôi sao có khối lượng lớn hơn 1,4 khối lượng mặt trời mới có thể trải qua quá trình tiến hóa như vậy. Vì vậy, một câu hỏi tự nhiên được đặt ra: liệu có giới hạn trên cho khối lượng siêu tân tinh mà sao neutron để lại không?
Vào cuối những năm 30, cha đẻ tương lai của bom nguyên tử Mỹ, Robert Oppenheimer, đã xác định rằng giới hạn đó thực sự tồn tại và không vượt quá vài khối lượng mặt trời. Khi đó không thể đưa ra đánh giá chính xác hơn; Ngày nay người ta biết rằng khối lượng của sao neutron phải nằm trong khoảng 1,5-3 Ms. Nhưng ngay cả từ những tính toán sơ bộ của Oppenheimer và sinh viên tốt nghiệp của ông, George ROLow, cũng cho thấy hậu duệ nặng nhất của siêu tân tinh không trở thành sao neutron mà biến đổi thành một trạng thái khác. Năm 1939, Oppenheimer và Hartland Snyder sử dụng một mô hình lý tưởng hóa để chứng minh rằng một ngôi sao khổng lồ đang co lại theo bán kính hấp dẫn của nó. Từ công thức của họ, thực tế cho thấy ngôi sao không dừng lại ở đó, nhưng các đồng tác giả đã kiềm chế đưa ra kết luận căn bản như vậy.
09.07.1911 - 13.04.2008
Câu trả lời cuối cùng đã được tìm ra vào nửa sau thế kỷ 20 nhờ nỗ lực của cả một thiên hà các nhà vật lý lý thuyết lỗi lạc, trong đó có cả những người Liên Xô. Hóa ra, sự sụp đổ như vậy luôn nén ngôi sao “bằng mọi cách”, phá hủy hoàn toàn vật chất của nó. Kết quả là, một điểm kỳ dị xuất hiện, một “siêu tập trung” của trường hấp dẫn, khép kín trong một thể tích vô cùng nhỏ. Đối với lỗ đứng yên thì đây là một điểm, đối với lỗ quay là một vòng. Độ cong của không-thời gian và do đó lực hấp dẫn ở gần điểm kỳ dị có xu hướng tiến tới vô cùng. Vào cuối năm 1967, nhà vật lý người Mỹ John Archibald Wheeler là người đầu tiên gọi sự sụp đổ của sao cuối cùng như vậy là một lỗ đen. Thuật ngữ mới được các nhà vật lý yêu thích và các nhà báo thích thú, họ đã truyền bá nó ra khắp thế giới (mặc dù ban đầu người Pháp không thích nó, vì cách diễn đạt trou noir gợi ý những liên tưởng đáng ngờ).
Đặc tính quan trọng nhất của lỗ đen là bất cứ thứ gì rơi vào nó sẽ không quay trở lại. Điều này thậm chí còn áp dụng cho ánh sáng, đó là lý do tại sao lỗ đen có tên như vậy: một vật thể hấp thụ tất cả ánh sáng chiếu vào nó và không phát ra bất kỳ ánh sáng nào của chính nó sẽ trông hoàn toàn đen. Theo thuyết tương đối rộng, nếu một vật thể tiến đến tâm lỗ đen ở một khoảng cách tới hạn—khoảng cách này được gọi là bán kính Schwarzschild—thì nó không bao giờ có thể quay trở lại. (Nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild (1873-1916) trong những năm cuối đời, sử dụng các phương trình của thuyết tương đối tổng quát của Einstein, đã tính ra trường hấp dẫn xung quanh một khối lượng có thể tích bằng 0.) Đối với khối lượng của Mặt trời, bán kính Schwarzschild là 3 km, tức là để biến Mặt trời của chúng ta thành một lỗ đen, bạn cần nén toàn bộ khối lượng của nó bằng kích thước của một thị trấn nhỏ!
Bên trong bán kính Schwarzschild, lý thuyết này dự đoán những hiện tượng thậm chí còn kỳ lạ hơn: toàn bộ vật chất của lỗ đen tập hợp thành một điểm cực nhỏ có mật độ vô hạn ở chính tâm của nó - các nhà toán học gọi vật thể đó là nhiễu loạn kỳ dị. Ở mật độ vô hạn, bất kỳ khối lượng hữu hạn nào của vật chất, nói về mặt toán học, đều chiếm thể tích không gian bằng không. Đương nhiên, chúng ta không thể xác minh bằng thực nghiệm liệu hiện tượng này có thực sự xảy ra bên trong lỗ đen hay không, vì mọi thứ rơi vào bên trong bán kính Schwarzschild đều không quay trở lại.
Do đó, dù không thể “nhìn” một lỗ đen theo nghĩa truyền thống của từ “nhìn”, chúng ta vẫn có thể phát hiện sự hiện diện của nó bằng các dấu hiệu gián tiếp về ảnh hưởng của trường hấp dẫn siêu mạnh và hoàn toàn bất thường của nó lên vật chất xung quanh. Nó.
Lỗ đen siêu lớn
Ở trung tâm Dải Ngân hà của chúng ta và các thiên hà khác có một lỗ đen cực lớn nặng gấp hàng triệu lần Mặt trời. Những lỗ đen siêu lớn này (như chúng được đặt tên) được phát hiện từ các quan sát về bản chất chuyển động của khí giữa các vì sao gần trung tâm các thiên hà. Các chất khí, đánh giá bằng các quan sát, quay ở một khoảng cách gần so với vật thể siêu lớn và các phép tính đơn giản sử dụng định luật cơ học của Newton cho thấy vật thể thu hút chúng, với đường kính cực nhỏ, có khối lượng khổng lồ. Chỉ có lỗ đen mới có thể xoáy khí liên sao ở trung tâm thiên hà theo cách này. Trên thực tế, các nhà vật lý thiên văn đã tìm thấy hàng chục lỗ đen khổng lồ như vậy ở trung tâm các thiên hà lân cận với chúng ta và họ hết sức nghi ngờ rằng trung tâm của bất kỳ thiên hà nào cũng là một lỗ đen.
Lỗ đen có khối lượng sao
Theo hiểu biết hiện tại của chúng ta về quá trình tiến hóa của các ngôi sao, khi một ngôi sao có khối lượng vượt quá 30 lần khối lượng Mặt Trời chết trong một vụ nổ siêu tân tinh, lớp vỏ bên ngoài của nó sẽ phân tán và các lớp bên trong nhanh chóng sụp đổ về phía trung tâm và tạo thành một lỗ đen tại chỗ. của ngôi sao đã sử dụng hết nhiên liệu dự trữ của nó. Một lỗ đen có nguồn gốc này bị cô lập trong không gian giữa các vì sao hầu như không thể phát hiện được, vì nó nằm trong chân không hiếm gặp và không biểu hiện dưới bất kỳ hình thức nào về tương tác hấp dẫn. Tuy nhiên, nếu một lỗ như vậy là một phần của hệ sao đôi (hai ngôi sao nóng quay quanh tâm khối lượng của chúng), thì lỗ đen vẫn sẽ tác dụng lực hấp dẫn lên ngôi sao đôi của nó. Các nhà thiên văn học ngày nay có hơn chục ứng cử viên cho vai trò của các hệ sao thuộc loại này, mặc dù chưa thu được bằng chứng chắc chắn nào cho bất kỳ hệ sao nào trong số đó.
Trong một hệ thống đôi có lỗ đen trong thành phần của nó, vật chất của ngôi sao “sống” chắc chắn sẽ “chảy” theo hướng của lỗ đen. Còn chất bị lỗ đen hút ra sẽ quay theo hình xoắn ốc khi rơi vào lỗ đen, biến mất khi đi qua bán kính Schwarzschild. Tuy nhiên, khi đến gần ranh giới chết người, vật chất bị hút vào phễu của lỗ đen chắc chắn sẽ trở nên đậm đặc hơn và nóng lên do tần số va chạm giữa các hạt bị lỗ đen hấp thụ tăng lên, cho đến khi nó nóng lên đến mức năng lượng phát xạ của sóng trong lỗ đen. Phạm vi tia X của phổ bức xạ điện từ. Các nhà thiên văn học có thể đo tính chu kỳ của những thay đổi về cường độ bức xạ tia X thuộc loại này và tính toán, bằng cách so sánh nó với các dữ liệu sẵn có khác, khối lượng gần đúng của vật thể “kéo” vật chất lên chính nó. Nếu khối lượng của một vật thể vượt quá giới hạn Chandrasekhar (1,4 khối lượng mặt trời), thì vật thể đó không thể là một sao lùn trắng mà ngôi sao của chúng ta sẽ bị thoái hóa. Trong hầu hết các quan sát được xác định về các sao đôi tia X như vậy, vật thể có khối lượng lớn là sao neutron. Tuy nhiên, đã có hơn chục trường hợp mà lời giải thích hợp lý duy nhất là sự hiện diện của lỗ đen trong hệ sao đôi.
Tất cả các loại lỗ đen khác đều mang tính suy đoán nhiều hơn và chỉ dựa trên nghiên cứu lý thuyết - không có bằng chứng thực nghiệm nào về sự tồn tại của chúng. Đầu tiên, đây là những lỗ đen mini có khối lượng tương đương với khối lượng của một ngọn núi và bị nén đến bán kính của một proton. Ý tưởng về nguồn gốc của chúng ở giai đoạn đầu hình thành Vũ trụ ngay sau Vụ nổ lớn được nhà vũ trụ học người Anh Stephen Hawking thể hiện (xem Nguyên lý ẩn giấu về tính không thể đảo ngược của thời gian). Hawking cho rằng các vụ nổ lỗ nhỏ có thể giải thích hiện tượng thực sự bí ẩn về các vụ nổ tia gamma xác định trong Vũ trụ. Thứ hai, một số lý thuyết về các hạt cơ bản dự đoán sự tồn tại trong Vũ trụ - ở cấp độ vi mô - của một sàng lỗ đen thực sự, là một loại bọt từ rác thải của vũ trụ. Đường kính của những lỗ siêu nhỏ như vậy được cho là khoảng 10-33 cm - chúng nhỏ hơn một proton hàng tỷ lần. Hiện tại, chúng ta không có bất kỳ hy vọng nào để xác minh bằng thực nghiệm ngay cả sự tồn tại của các hạt lỗ đen như vậy, chưa kể bằng cách nào đó khám phá các đặc tính của chúng.
Và điều gì sẽ xảy ra với người quan sát nếu anh ta đột nhiên thấy mình ở phía bên kia bán kính hấp dẫn, hay còn gọi là chân trời sự kiện. Đây là nơi bắt đầu tính chất tuyệt vời nhất của lỗ đen. Không phải vô cớ mà khi nói về lỗ đen, chúng ta luôn nhắc đến thời gian, hay chính xác hơn là không-thời gian. Theo thuyết tương đối của Einstein, một vật chuyển động càng nhanh thì khối lượng của nó càng lớn, nhưng thời gian bắt đầu trôi qua càng chậm! Ở tốc độ thấp trong điều kiện bình thường, hiệu ứng này không đáng chú ý, nhưng nếu một vật thể (tàu vũ trụ) chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng thì khối lượng của nó tăng lên và thời gian chậm lại! Khi tốc độ của cơ thể bằng tốc độ ánh sáng, khối lượng sẽ tiến tới vô cùng và thời gian dừng lại! Các công thức toán học nghiêm ngặt nói về điều này. Hãy quay trở lại lỗ đen. Hãy tưởng tượng một tình huống tuyệt vời khi một con tàu vũ trụ với các phi hành gia trên tàu tiếp cận bán kính hấp dẫn hoặc chân trời sự kiện. Rõ ràng là chân trời sự kiện được đặt tên như vậy bởi vì chúng ta chỉ có thể quan sát bất kỳ sự kiện nào (quan sát bất cứ thứ gì) ở giới hạn này. Rằng chúng ta không thể quan sát ngoài biên giới này. Tuy nhiên, khi ở bên trong con tàu tiếp cận lỗ đen, các phi hành gia sẽ có cảm giác giống như trước, bởi vì... Theo đồng hồ của họ, thời gian sẽ chạy “bình thường”. Phi thuyền sẽ bình tĩnh vượt qua chân trời sự kiện và đi tiếp. Nhưng vì tốc độ của nó sẽ gần bằng tốc độ ánh sáng nên tàu vũ trụ sẽ đến trung tâm lỗ đen ngay lập tức.
Và đối với người quan sát bên ngoài, tàu vũ trụ sẽ chỉ dừng lại ở chân trời sự kiện và sẽ ở đó gần như mãi mãi! Đây là nghịch lý về lực hấp dẫn khổng lồ của lỗ đen. Câu hỏi đương nhiên là liệu các phi hành gia đang đi vào vô cực theo đồng hồ của người quan sát bên ngoài có còn sống hay không. KHÔNG. Và vấn đề hoàn toàn không nằm ở lực hấp dẫn khổng lồ, mà là ở lực thủy triều, lực mà đối với một vật thể nhỏ và to như vậy thay đổi rất nhiều trong khoảng cách ngắn. Với chiều cao của một phi hành gia là 1 m 70 cm, lực thủy triều ở đầu anh ta sẽ nhỏ hơn nhiều so với dưới chân anh ta và anh ta sẽ đơn giản bị xé nát ở chân trời sự kiện. Vì vậy, chúng ta đã tìm ra một cách tổng quát lỗ đen là gì, nhưng cho đến nay chúng ta vẫn đang nói về lỗ đen có khối lượng sao. Hiện nay, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra những lỗ đen siêu lớn có khối lượng có thể bằng cả tỷ mặt trời! Các lỗ đen siêu lớn không có đặc tính khác biệt so với các lỗ đen nhỏ hơn của chúng. Chúng chỉ nặng hơn nhiều và theo quy luật, chúng nằm ở trung tâm các thiên hà - các hòn đảo sao của Vũ trụ. Ở trung tâm Thiên hà của chúng ta (Dải Ngân Hà) cũng có một lỗ đen siêu lớn. Khối lượng khổng lồ của các lỗ đen như vậy sẽ giúp chúng ta có thể tìm kiếm chúng không chỉ trong Thiên hà của chúng ta mà còn ở trung tâm của các thiên hà xa xôi nằm cách Trái đất và Mặt trời hàng triệu tỷ năm ánh sáng. Các nhà khoa học châu Âu và Mỹ đã tiến hành một cuộc tìm kiếm toàn cầu về các lỗ đen siêu lớn, theo tính toán lý thuyết hiện đại, lỗ đen này phải nằm ở trung tâm của mọi thiên hà.
Các công nghệ hiện đại có thể phát hiện sự hiện diện của các thiên hà sụp đổ này ở các thiên hà lân cận, nhưng rất ít trong số chúng đã được phát hiện. Điều này có nghĩa là hoặc các lỗ đen chỉ đơn giản là ẩn trong các đám mây khí và bụi dày đặc ở phần trung tâm của các thiên hà, hoặc chúng nằm ở những góc xa hơn của Vũ trụ. Vì vậy, các lỗ đen có thể được phát hiện bằng bức xạ tia X phát ra trong quá trình bồi tụ vật chất lên chúng và để thực hiện một cuộc điều tra dân số về các nguồn như vậy, các vệ tinh có kính viễn vọng tia X trên tàu đã được phóng vào không gian vũ trụ gần Trái đất. Trong khi tìm kiếm nguồn tia X, các đài quan sát không gian Chandra và Rossi phát hiện ra rằng bầu trời chứa đầy bức xạ tia X nền sáng hơn hàng triệu lần so với bức xạ nhìn thấy được. Phần lớn bức xạ tia X nền này từ bầu trời phải đến từ các lỗ đen. Thông thường trong thiên văn học có ba loại lỗ đen. Đầu tiên là các lỗ đen có khối lượng sao (khoảng 10 lần khối lượng mặt trời). Chúng hình thành từ những ngôi sao lớn khi hết nhiên liệu nhiệt hạch. Thứ hai là các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm các thiên hà (khối lượng hàng triệu đến hàng tỷ mặt trời). Và cuối cùng, các lỗ đen cơ bản, được hình thành khi bắt đầu cuộc sống của Vũ trụ, có khối lượng nhỏ (theo khối lượng của một tiểu hành tinh lớn). Do đó, một lượng lớn khối lượng lỗ đen có thể có vẫn chưa được lấp đầy. Nhưng những cái lỗ này ở đâu? Tuy nhiên, lấp đầy không gian bằng tia X, họ không muốn lộ “bộ mặt” thật của mình. Nhưng để xây dựng một lý thuyết rõ ràng về mối liên hệ giữa bức xạ nền tia X và lỗ đen, cần phải biết số lượng của chúng. Hiện tại, các kính viễn vọng không gian chỉ có thể phát hiện được một số lượng nhỏ các lỗ đen siêu lớn, sự tồn tại của chúng có thể được coi là đã được chứng minh. Các dấu hiệu gián tiếp giúp tăng số lượng lỗ đen được quan sát chịu trách nhiệm về bức xạ nền lên 15%. Chúng ta phải giả định rằng các lỗ đen siêu lớn còn lại chỉ ẩn sau một lớp mây bụi dày chỉ truyền tia X năng lượng cao hoặc ở quá xa để có thể phát hiện được bằng các phương tiện quan sát hiện đại.
Lỗ đen siêu lớn (xung quanh) ở trung tâm thiên hà M87 (ảnh tia X). Có thể nhìn thấy tia phóng ra (máy bay phản lực) từ chân trời sự kiện. Hình ảnh từ www.college.ru/astronomy
Tìm kiếm các lỗ đen ẩn giấu là một trong những nhiệm vụ chính của thiên văn học tia X hiện đại. Tuy nhiên, những đột phá gần đây trong lĩnh vực này, liên quan đến nghiên cứu sử dụng kính thiên văn Chandra và Rossi, chỉ bao gồm phạm vi năng lượng thấp của bức xạ tia X - khoảng 2000-20.000 electron volt (để so sánh, năng lượng của bức xạ quang học là khoảng 2 electron) .vôn). Những sửa đổi đáng kể cho những nghiên cứu này có thể được thực hiện bởi Kính viễn vọng không gian Châu Âu Integral, có khả năng thâm nhập vào vùng bức xạ tia X vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ với năng lượng 20.000-300.000 electron volt. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu loại tia X này là mặc dù nền tia X của bầu trời có năng lượng thấp nhưng nhiều đỉnh (điểm) bức xạ có năng lượng khoảng 30.000 electron-volt xuất hiện trên nền này. Các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu nguyên nhân tạo ra những đỉnh này và Integral là kính viễn vọng đầu tiên đủ nhạy để phát hiện các nguồn tia X như vậy. Theo các nhà thiên văn học, các tia năng lượng cao tạo ra cái gọi là vật thể dày Compton, tức là các lỗ đen siêu lớn được bao bọc trong lớp vỏ bụi. Các vật thể Compton chịu trách nhiệm cho các đỉnh tia X 30.000 volt trong trường bức xạ nền.
Tuy nhiên, khi tiếp tục nghiên cứu, các nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng các vật thể Compton chỉ chiếm 10% số lượng lỗ đen lẽ ra sẽ tạo ra các đỉnh năng lượng cao. Đây là một trở ngại nghiêm trọng cho sự phát triển hơn nữa của lý thuyết. Vậy, lượng tia X bị thiếu không phải do các lỗ đen siêu nặng thông thường cung cấp mà là do các lỗ đen siêu lớn thông thường? Vậy còn rèm bụi cho tia X năng lượng thấp thì sao? Câu trả lời dường như nằm ở chỗ nhiều lỗ đen (vật thể Compton) có đủ thời gian để hấp thụ toàn bộ khí và bụi bao bọc chúng, nhưng trước đó chúng đã có cơ hội bộc lộ mình bằng tia X năng lượng cao. Sau khi tiêu thụ hết vật chất, những lỗ đen như vậy không còn khả năng tạo ra tia X ở chân trời sự kiện nữa. Rõ ràng là tại sao những lỗ đen này không thể được phát hiện và có thể quy các nguồn bức xạ nền bị thiếu cho chúng, vì mặc dù lỗ đen không còn phát ra nữa nhưng bức xạ mà nó tạo ra trước đó vẫn tiếp tục truyền qua Vũ trụ. Tuy nhiên, có thể các lỗ đen còn thiếu được ẩn giấu nhiều hơn những gì các nhà thiên văn học nhận ra, nghĩa là việc chúng ta không nhìn thấy chúng không có nghĩa là chúng không ở đó. Chúng ta chưa có đủ khả năng quan sát để nhìn thấy chúng. Trong khi đó, các nhà khoa học của NASA có kế hoạch mở rộng việc tìm kiếm các lỗ đen ẩn sâu hơn nữa trong Vũ trụ. Họ tin rằng đây là nơi chứa phần dưới nước của tảng băng trôi. Trong vài tháng, nghiên cứu sẽ được thực hiện như một phần của sứ mệnh Swift. Việc thâm nhập vào sâu trong Vũ trụ sẽ làm lộ ra các lỗ đen ẩn giấu, tìm ra mối liên hệ còn thiếu với bức xạ nền và làm sáng tỏ hoạt động của chúng trong thời kỳ sơ khai của Vũ trụ.
Một số lỗ đen được cho là hoạt động mạnh hơn những người hàng xóm yên tĩnh của chúng. Các lỗ đen đang hoạt động hấp thụ vật chất xung quanh, và nếu một ngôi sao “bất cẩn” bay ngang qua bị cuốn theo đường bay của trọng lực, chắc chắn nó sẽ bị “ăn thịt” một cách dã man nhất (xé thành từng mảnh). Vật chất bị hấp thụ khi rơi vào lỗ đen sẽ bị nung nóng đến nhiệt độ cực lớn và phát ra tia gamma, tia X và tia cực tím. Ngoài ra còn có một lỗ đen siêu lớn ở trung tâm Dải Ngân hà, nhưng nó khó nghiên cứu hơn các lỗ đen ở các thiên hà lân cận hoặc thậm chí xa xôi. Điều này là do bức tường khí và bụi dày đặc cản đường trung tâm Thiên hà của chúng ta, bởi vì Hệ Mặt trời nằm gần như ở rìa của đĩa thiên hà. Do đó, việc quan sát hoạt động của lỗ đen sẽ hiệu quả hơn nhiều ở những thiên hà có lõi có thể nhìn thấy rõ ràng. Khi quan sát một trong những thiên hà xa xôi, nằm trong chòm sao Boötes ở khoảng cách 4 tỷ năm ánh sáng, các nhà thiên văn học lần đầu tiên có thể theo dõi từ đầu đến cuối quá trình hấp thụ một ngôi sao bởi một lỗ đen siêu lớn. . Trong hàng ngàn năm, ngôi sao sụp đổ khổng lồ này đã yên nghỉ lặng lẽ và yên bình ở trung tâm của một thiên hà hình elip không tên, cho đến khi một trong những ngôi sao dám đến đủ gần nó.
Lực hấp dẫn mạnh mẽ của lỗ đen xé nát ngôi sao. Các khối vật chất bắt đầu rơi vào lỗ đen và khi chạm tới chân trời sự kiện, chúng bùng lên rực rỡ trong vùng tử ngoại. Những ngọn lửa này được ghi lại bởi kính viễn vọng không gian Galaxy Evolution Explorer mới của NASA, nơi nghiên cứu bầu trời dưới ánh sáng cực tím. Kính thiên văn tiếp tục quan sát hành vi của vật thể nổi bật ngày nay, bởi vì Bữa ăn của lỗ đen vẫn chưa kết thúc, tàn tích của ngôi sao tiếp tục rơi vào vực thẳm thời gian và không gian. Việc quan sát các quá trình như vậy cuối cùng sẽ giúp hiểu rõ hơn về cách các lỗ đen tiến hóa cùng với các thiên hà chủ của chúng (hoặc ngược lại, các thiên hà tiến hóa cùng với lỗ đen mẹ). Những quan sát trước đây cho thấy những sự dư thừa như vậy không phải là hiếm trong Vũ trụ. Các nhà khoa học đã tính toán rằng, trung bình cứ 10.000 năm lại có một ngôi sao bị lỗ đen siêu lớn tiêu thụ trong một thiên hà điển hình, nhưng vì có một số lượng lớn các thiên hà nên sự hấp thụ của sao có thể được quan sát thường xuyên hơn nhiều.
nguồn
Lỗ đen là một vùng đặc biệt trong không gian. Đây là sự tích tụ nhất định của vật chất đen, có khả năng hút vào chính nó và hấp thụ các vật thể khác trong không gian. Hiện tượng hố đen vẫn chưa có. Mọi dữ liệu có được chỉ là lý thuyết và giả định của các nhà khoa học thiên văn học.
Cái tên "lỗ đen" do nhà khoa học J.A. Wheeler vào năm 1968 tại Đại học Princeton.
Có giả thuyết cho rằng lỗ đen là những ngôi sao, nhưng là những ngôi sao khác thường, giống như neutron. Một lỗ đen - - bởi vì nó có mật độ phát quang rất cao và hoàn toàn không phát ra bức xạ. Do đó, nó không thể nhìn thấy được trong tia hồng ngoại, tia X cũng như tia vô tuyến.
Nhà thiên văn học người Pháp P. Laplace đã phát hiện ra tình huống này 150 năm trước các lỗ đen. Theo lập luận của ông, nếu nó có mật độ bằng mật độ Trái đất và đường kính lớn hơn 250 lần đường kính Mặt trời, thì nó không cho phép các tia sáng lan truyền khắp Vũ trụ do lực hấp dẫn của nó, và do đó vẫn còn vô hình. Vì vậy, người ta cho rằng lỗ đen là vật thể phát xạ mạnh nhất trong Vũ trụ nhưng chúng không có bề mặt rắn.
Tính chất của lỗ đen
Tất cả các đặc tính được cho là của lỗ đen đều dựa trên thuyết tương đối, được A. Einstein đưa ra vào thế kỷ 20. Bất kỳ cách tiếp cận truyền thống nào để nghiên cứu hiện tượng này đều không đưa ra được lời giải thích thuyết phục nào về hiện tượng lỗ đen.
Thuộc tính chính của lỗ đen là khả năng bẻ cong thời gian và không gian. Bất kỳ vật thể chuyển động nào bị vướng vào trường hấp dẫn của nó chắc chắn sẽ bị hút vào, bởi vì... trong trường hợp này, một xoáy hấp dẫn dày đặc, một loại phễu, xuất hiện xung quanh vật thể. Đồng thời, khái niệm về thời gian được chuyển đổi. Các nhà khoa học, bằng tính toán, vẫn có xu hướng kết luận rằng lỗ đen không phải là thiên thể theo nghĩa được chấp nhận rộng rãi. Đây thực sự là một số loại lỗ, lỗ sâu đục trong thời gian và không gian, có khả năng thay đổi và làm đặc nó.
Lỗ đen là một vùng không gian khép kín trong đó vật chất bị nén vào đó và không có gì có thể thoát ra khỏi đó, kể cả ánh sáng.
Theo tính toán của các nhà thiên văn học, với trường hấp dẫn cực mạnh tồn tại bên trong lỗ đen, không một vật thể nào có thể nguyên vẹn. Nó sẽ ngay lập tức bị xé thành hàng tỷ mảnh trước khi lọt vào bên trong. Tuy nhiên, điều này không loại trừ khả năng trao đổi các hạt và thông tin với sự trợ giúp của chúng. Và nếu một lỗ đen có khối lượng lớn hơn khối lượng Mặt trời (siêu lớn) ít nhất một tỷ lần, thì về mặt lý thuyết, các vật thể có thể di chuyển qua nó mà không bị lực hấp dẫn xé nát.
Tất nhiên, đây chỉ là lý thuyết, bởi nghiên cứu của các nhà khoa học vẫn còn quá xa để hiểu được lỗ đen ẩn chứa những quá trình và khả năng gì. Rất có thể điều tương tự sẽ xảy ra trong tương lai.