Tìm hiểu về lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu

Lỗ đen là một khái niệm không còn quá mới lạ với hầu hết người yêu thích thiên văn và Vật lý. Trong bài này tôi sẽ cố gắng viết một cách ngắn gọn và dễ hiểu nhất có thể về những khái niệm: lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu.
Lỗ đen
Dự đoán đầu tiên về lỗ đen (hay một số tài liệu tiếng Việt dịch là hố đen) bắt đầu từ rất sớm ngay sau khi thuyết tương đối rộng của Albert Einstein ra đời năm 1916. Lỗ đen được đề xuất bởi Karl Schwarzschild như một tiên đoán giải pháp cho không gian mô tả bởi phương trình trường của Einstein. Việc này nằm trên lý thuyết cho tới khi có khám phá về các sao neutron, minh chứng đầu tiên cho sự sụp đổ hấp dẫn sau khi các ngôi sao đốt cháy hết năng lượng của mình.
Sự hình thành và vài khái niệm cơ bản
Các lỗ đen thông thường hình thành theo cơ chế sau:
Khi các ngôi sao đốt cháy hết năng lượng của mình, chính xác là toàn bộ hydro đã kết hợp (phản ứng nhiệt hạch) để tạo ra Heli thì chúng không còn năng lượng giải phóng ra để cân bằng với lực hấp dẫn của bản thân hướng vào tâm nữa nên ngôi sao co lại.
Trong quá trình co lại này các hạt nhân Heli lại bị nén chặt và kết hợp tạo ra các hạt nhân nặng hơn (C, O hay hơn nữa), quá trình này giải phóng ra 1 lượng năng lượng làm cái vỏ ngoài phồng to (giai đoạn sao khổng lồ đỏ) trong khi lõi trong vẫn co lại rất nhanh.
Với các sao cỡ Mặt Trời, vỏ ngoài bị phá vỡ khi đã phồng to đến giới hạn nhất định. Với các sao nặng, lõi trong bùng phát lần cuối do năng lượng giải phóng từ sự tổng hợp hạt nhân nặng ở lõi sao, đây là vụ nổ supernova (thường được dịch không chính xác ra tiếng Việt là siêu tân tinh), phần vỏ bị phá nát này trở thành một đám khí bụi lớn gọi là tinh vân hành tinh (planetary nebula).

Con người không thể quan sát thấy lỗ đen.
Lõi trong sau vụ nổ này tiếp tục co thêm và trở thành sau lùn trắng với những sao như Mặt Trời, tức là chúng trở thành một thiên thể chết bức xạ rất ít, rồi dần tắt hẳn không còn phát ra ánh sáng nữa. Với các sao lớn hơn ~1,5 lần khối lượng Mặt Trời (giới hạn Chandrasekhar) thì chúng tiếp tục co lại, co tới mức ấn các electron (điện tử) vào proton để trở thành neutron, khi đó toàn ngôi sao là một khối neutron với khối lượng riêng cực lớn và tốc độ quay cực cao, đó là các sao neutron. Những sao có khối lượng lớn hơn nữa, khoảng 3-4 lần khối lượng Mặt Trời hoặc hơn (giới hạn Tolman–Oppenheimer–Volkoff) thì quá trình co lại chưa kết thúc ngay cả khi đã trở thành sao neutron. Vật chất bị nén tới mức tạo ra một vụ sụp đổ...
Trường hấp dẫn mô tả trong thuyết tương đối rộng của Einstein là không gian chịu ảnh hưởng của hấp dẫn do sự có mặt của khối lượng (giống như điện trường quanh vật mang điện), khi vật chất mang khối lượng này sụp đổ (nhưng bản thân khối lượng không mất đi) nó kéo theo sự biến dạng của trường hấp dẫn, hay là sự biến dạng của không gian xung quanh. Một vùng không gian quanh ngôi sao chết lúc này bị uốn cong thành một vùng khép kín (có thể hình dung dễ hiểu là dạng một khối cầu)...
Ngôi sao như mô tả trên đã trở thành một LỖ ĐEN (black hole) và vùng không gian khép kín nêu trên gọi là chân trời sự kiện (event horizon) của lỗ đen. Toàn bộ vật chất của lõi ngôi sao sụp đổ vào một điểm trung tâm của chân trời sự kiện gọi là điểm kì dị (singularity). Gọi là kì dị, đơn giản là vì nó khong tuân theo các định luật vật lý mà chúng ta đã có, tương tự như việc vụ nổ Big Bang hình thành nên vũ trụ, vì đơn giản là các định luật vật lý hiện nay chỉ mô tả không-thời gian tổng quát của vũ trụ ngày nay thôi.
Cơ chế của lỗ đen hiểu đơn giản như sau
Vì không gian chưa trường hấp dẫn đã bị uốn cong như nêu trên, không một vật thể nào chạm tới chân trời sự kiện của lỗ đen còn có thể thoát ra ngoài kể cả ánh sáng.
Điều này giống với việc bạn gặp một đoạn đường cong mà dù muốn hay không bạn cũng sẽ phải đi theo nó vì đơn giản là bạn không thể đi thẳng được chứ không phải là vì bạn thấy một vài quán ăn hấp dẫn hay một cô gái xinh đẹp chờ cuối đoạn đường đó.
Do vậy việc ánh sáng cũng bị uốn cong khi đi gần lỗ đen và sẽ không thể thoát ra nếu nó lỡ chạm tới chân trời sự kiện không hề chứng minh một chút gì cho giả thiết hạt photon có khối lượng động như một số người thường nhầm tưởng.
Đó là với ánh sáng, còn với vật chất thông thường thì có một lưu ý rằng vì bên trong chân trời sự kiện của lỗ đen, lực hấp dẫn là lớn tới mức vô hạn, nên nó sẽ xé rách mọi vật có kích thước có thể lọt vào đó (có chăng chỉ chừa các hạt cơ bản). Mặc dù không loại trừ trường hợp có những đường hay những khe hở để cho phép ngoại lệ nhưng tới nay thì đó tạm thời vẫn chỉ tồn tại trên các tác phẩm viễn tưởng. Thực tế là chúng ta không có cơ may sống sót nếu bị lọt vào một lỗ đen, và cả các vật thể chúng ta mang theo cũng như vậy, sẽ chẳng có tàu thăm dò nào cho chúng ta biết điều gì xảy ra bên trong một lỗ đen.
Một câu hỏi thường gặp là: con người có thể quan sát thấy lỗ đen hay không?
Câu trả lời là không, vì đơn giản mắt chúng ta nhìn thấy các vật là do ánh sáng từ chúng đi tới, với lỗ đen nó không phát ra và cũng không phản xạ lại ánh sáng (vì ánh sáng đã bị nó nuốt hết khi tới gần) nên việc nhìn thấy một lỗ đen là không thể. Tuy vậy sự tồn tại của các lỗ đen vẫn được dự đoán dựa vào tương tác chúng tạo ra xung quanh, chẳng hạn như việc hút vật chất của sao đồng hành (nếu lỗ đen trước đây là một ngôi sao trong hệ gồm hai hay nhiều sao) hay hiệu ứng bẻ cong ánh sáng quan sát được (thấu kính hấp dẫn - gravitational lens).
Theo mô hình hiện tại về các thiên hà, tại trung tâm hầu hết các thiên hà đều có một lỗ đen với khối lượng cực lớn (super massive black hole). Lỗ đen dạng này có khối lượng bằng hàng triệu hay thậm chí hàng tỷ lần Mặt Trời của chúng ta. Những lỗ đen này không tạo thành từ kết thúc của một ngôi sao, mà từ sự sup sụp vật chất qui mô lớn trong giai đoạn đầu của thiên hà, trong thời gian sau đó chúng tiếp tục nuốt chửng các sao và các lỗ đen nhỏ xung quanh để lớn lên như ngày nay.
Một câu hỏi quen thuộc khác về lỗ đen là: Vật chất và các thông tin chúng mang theo sau khi bị hút vào lỗ đen sẽ đi đâu?
Năm 1997, Stephen Hawking có một cuộc cá cược với John Preskill về việc các lỗ đen sẽ bốc hơi, tan biến trong không-thời gian mang theo toàn bộ thông tin chúng đánh cắp. Preskill thì là người tin rằng các thông tin không mất đi sau sự bốc hơi của lỗ đen. Tới năm 2004, Hawking đã thừa nhận thua cuộc cá cược này (tất nhiên chỉ là theo kết quả của các phương trình trên mô hình lý thuyết vì chúng ta chưa đủ khả năng và cũng không có cơ hội quan sát sự bốc hơi của bất cứ lỗ đen nào).
Còn với các lỗ đen vĩnh cửu không bốc hơi thì sao? Chúng ta hãy tham khảo một đối lượng lý thuyết khác.
Lỗ trắng
Khác với lỗ đen đã được kiểm nghiệm sự tồn tại ít ra là qua các hiệu ứng trực tiếp nó gây ra như đã nêu bên trên, lỗ trắng là một đối tượng lý thuyết thuần túy chưa hề được kiểm chứng bởi bất cứ quan sát thực nghiệm nào.
LỖ TRẮNG (white hole) là một khái niệm lý thuyết, có tính đối lập với lỗ đen. Lỗ trắng cũng có một chân trời sự kiện và một điểm kì dị ở trung tâm của nó. Nhưng trong khi lỗ đen chỉ cho vật chất đi qua chân trời sự kiện vào phía trong mà không cho đi ra ngoài thì lỗ trắng lại chỉ giải phóng các bức xạ ra phía ngoài chân trời sự kiện mà không cho chúng đi vào phía trong.
Một câu hỏi hay xuất hiện ở đây là như vậy là lỗ trắng chỉ đẩy ra chứ không hút vào, nó có phải một trường hợp phản hấp dẫn (anti-gravity)?
Câu trả lời là không. Lỗ trắng cũng có lực hấp dẫn và nó hút mọi thứ về phía nó, có điều tất cả sẽ bị chặn lại và phản xạ ngược lại khi chạm vào chân trời sự kiện của nó.
Lỗ trắng là một dự đoán khác dựa trên mô hình của Schwarzschild để cân bằng phương trình trường của Einstein, theo đó thì thông tin biến mất trong lỗ đen có thể được "tuồn" ra ngoài từ lỗ trắng. Lỗ trắng như vậy có thể nằm trong tương lai hay quá khứ của lỗ đen, sự đảo ngược quá trình của lỗ đen hoặc ở một không-thời gian hoàn toàn khác, một vũ trụ khác.

Ngược lại với lỗ đen, lỗ trắng chỉ cho vật chất đi ra chứ không đi vào.
Những vấn đề gặp phải trong mô hình lỗ trắng thứ nhất là nếu như mô tả, thì nó có thể là quá trình ngược của lỗ đen, tức là nó đi ngược lại theo chiều của các quá trình vật lý, chính xác là nó vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, điều này là quá sức vô lý, và thứ hai là nếu nó thực sự tồn tại trong vũ trụ của chúng ta thì tốc độ giải phóng vật chất của nó sẽ làm nó biến mất chỉ trong một khoảng thời gian cực ngắn nên chúng ta chẳng có cơ hội nào quan sát thấy một lỗ trắng như dự đoán lý thuyết.
Một giải pháp cho tình huống này là lỗ trắng không nằm trong vũ trụ hiện nay của chúng ta mà phải ở một vùng không-thời gian khác hoặc một vũ trụ hoàn toàn khác. Vật chất nó được cung cấp và rồi phóng ra bên ngoài có thể đến tức lỗ đen ở không-thời gian khác qua một đường hầm chạy xuyên suốt không-thời gian hoặc thậm chí xuyên suốt các vũ trụ gọi là các lỗ sâu.
Lỗ sâu
Hình học Schwarzschild gợi ý rằng mô hình chuẩn cho lỗ đen và lỗ trắng tương ứng với phương trình trường của Einstein phải bao gồm hai vũ trụ (hay hai hệ không thời gian khác nhau) mà một bên chứa một lỗ đen và một bên chứa một lỗ trắng, nối liền nhau bởi một đường hầm gọi là LỖ SÂU (wormhole).

Lỗ sâu không thể tồn tài trong phần vũ trụ nhìn thấy của chúng ta.
Sự ra đời của khái niệm này là một giải pháp cho các phương trình của Einstein, cũng như một phương án cho giả thuyết cầu Einstein-Rosen (Einstein-Rosen Bridge).
Chúng ta nên lưu ý lần cuối rằng: Lỗ sâu cũng như lỗ trắng vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, vì vậy thực tế chúng không thể tồn tài trong phần vũ trụ nhìn thấy của chúng ta. Tuy vậy trong thuyết tương đối rộng của Einstein thì thời gian có tính đối xứng (không có khái niệm xuôi hay ngược thời gian) nên mô hình này được chấp nhận. Có nghĩa là lỗ trắng và lỗ sâu nối chúng với các lỗ đen có thể tồn tại ở các vùng không-thời gian khác mà chúng ta không thể quan sát, hay thậm chí là trong một vũ trụ khác.
Với một khả năng không hoàn toàn vững chắc như nêu trên, lỗ sâu vẫn được đặt kì vọng một cách hết sức nhiệt tình bởi những người... mơ mộng. Người ta tin rằng một lỗ sâu có thể giúp con người vượt qua không gian nhanh hơn cả ánh sáng (faster than light travel) bởi một công nghệ gọi là warp drive hay du hành về quá khứ hoặc tới tương lai (time travel)...

Tàu không gian Dreadnought trong game chiến thuật Astro Empires sử dụng công nghệ warp drive để di chuyển giữa các thiên hà.
Trong những năm gần đây, người ta cũng nhiều lần thử giải thích các hiện tượng bí ẩn như sự mất tích đột ngột của con người hay các con tàu, các chuyến bay... rằng họ đã lạc vào một lỗ sâu mở ra ngay trên Trái Đất.
Tuy nhiên, xin nhắc lại rằng tất cả sự tồn tại của lỗ trắng và lỗ sâu tới nay vẫn chỉ tồn tại trên hình học Schwarzschild không hơn, và bản thân mô hình lý thuyết cũng cho thấy rằng rất khó có thể có sự tồn tại của những thứ này trong vũ trụ nhìn thấy của chúng ta.
Đặng Vũ Tuấn Sơn

Từ khóa liên quan:

Tìm hiểu về lỗ đen

lỗ trắng và lỗ sâu

Loading...