Phác họa chân dung “quái vật” không gian
Các nhà khoa học ở Viện Vật lý Thiên văn ở Granada (Tây Ban Nha) đã quan sát được “cuộc tàn sát man rợ các ngôi sao” của lỗ đen trong thiên hà ARP 299, cách chúng ta khoảng 150 triệu năm ánh sáng. Sự kiện này có phải là hiếm hoi trong vũ trụ, thưa ông?
TSKH Michal Bejger: Đúng vậy. Chính vì thế đây là quan sát rất thú vị. Trong thiên hà của chúng ta cũng có một lỗ đen siêu nặng tương tự (lỗ đen Sgr. A với khối lượng bằng khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt trời). Có rất nhiều ngôi sao quay xung quanh lỗ đen này. Tuy nhiên cho tới nay chúng ta chưa phát hiện ra ngôi sao nào ở quá gần lỗ đen, để có thể bị lỗ đen xé nát thành từng mảnh. Trong khi đó, đối với các lỗ đen khác, hiện tượng đó thỉnh thoảng cũng xảy ra.
Vậy thực chất lỗ đen – những “quái vật” không gian, là gì?
TSKH Michal Bejger: Thuyết hấp dẫn của Einstein đã mô tả về lỗ đen. Theo thuyết này, lực hấp dẫn giữa hai vật thể được giải thích qua hình học: trường hấp dẫn là hậu quả của sự biến dạng không gian và thời gian xung quanh những vật thể nặng.
Một trong những lý giải của thuyết này là các khu vực không- thời gian bị cong đến mức ánh sáng (với vận tốc lớn nhất) cũng không thể thoát ra được. Đó chính là các lỗ đen – những mảnh không gian phi vật chất mà từ đó không thể chạy thoát được.
Khoảng cách tới hạn mà từ đó không thể thoát ra khỏi lỗ đen (với vận tốc ánh sáng) được gọi là chân trời sự kiện của lỗ đen.
Khi một ngôi sao di chuyển đến gần chân trời sự kiện, nó luôn bị xé nát?
TSKH Michal Bejger: Tùy thuộc vào việc lỗ đen lớn như thế nào và ngôi sao “đặc” như thế nào. Có thể xảy ra hiện tượng là ngôi sao rơi luôn vào chân trời sự kiện. Khi đó, sự kiện không có gì là ngoạn mục cả. Ngôi sao đơn giản chỉ đột ngột biến mất trong tầm quan sát và không bao giờ xuất hiện trở lại nữa.
Ngược lại, nếu trước khi rơi vào chân trời sự kiện, ngôi sao bị xé nát bởi các lực “thủy triều” (tidal forces) thì vật chất ngôi sao sẽ văng ra xung quanh với vận tốc rất lớn. Vật chất này nóng lên và tạo thành đĩa vật chất sáng chói, quay xung quanh lỗ đen (gọi là đĩa bồi tụ), đồng thời phun ra các tia vật chất.
Bị chi phối bởi định luật hấp dẫn
Dường như tại trung tâm mỗi thiên hà đều có các lỗ đen siêu nặng. Chúng từ đâu ra? Có phải chúng xuất hiện đầu tiên, sau đó xung quanh chúng mới hình thành thiên hà, hay ngược lại?
TSKH Michal Bejger: Hiện nay có hai giả thuyết. Giả thuyết thứ nhất cho rằng các lỗ đen hình thành trong giai đoạn rất sớm của vũ trụ từ những thay đổi mật độ vật chất tối, còn xung quanh chúng hội tụ vật chất thường và hình thành các thiên hà.
Theo giả thuyết thứ hai, các lỗ đen lớn xuất hiện trong các thiên hà do sự va chạm và liên kết các lỗ đen nhỏ hơn. Tuy nhiên sự thật cũng có thể là các lỗ đen siêu nặng và các thiên hà xuất hiện và tiến hóa trong cùng một thời gian.
Vậy có phải lỗ đen siêu nặng, tựa như lốc xoáy, sẽ hút tất cả các ngôi sao trong thiên hà?
TSKH Michal Bejger: Không. Đó là hình dung sai lầm và thường xuyên về lực hấp dẫn lớn khủng khiếp của các lỗ đen. Mỗi lỗ đen, thậm chí không quá nặng ở trung tâm thiên hà hành xử như bất kỳ khối vật chất nào khác và bị các định luật hấp dẫn chi phối. Thêm nữa, một thiên hà trung bình, có khối lượng nặng hơn siêu lỗ đen ở trung tâm rất nhiều.
Các ngôi sao bị hút bởi khối lượng nằm bên trong quỹ đạo của chúng. Có thể nói rằng các ngôi sao quay xung quanh trung tâm thiên hà tương tự như các hành tinh quay xung quanh Mặt trời (trong Hệ Mặt trời).
Điều gì xảy ra với vật chất ngôi sao sau khi rơi vào chân trời sự kiện?
TSKH Michal Bejger: Chúng ta chỉ biết điều đó về mặt lý thuyết, bởi trong thực tế các quan sát thiên văn chỉ thực hiện được trong khu vực gọi là “phía của chúng ta”, tức là bên ngoài chân trời sự kiện. Theo lý thuyết, đằng sau chân trời sự kiện diễn ra những hiện tượng lạ kỳ, chẳng hạn như hướng trục thời gian thay đổi, hướng về phía “trung tâm” lỗ đen, thời gian hòa lẫn vào không gian.
Ở phía sau chân trời sự kiện, câu hỏi “trung tâm của lỗ đen ở đâu?” đổi thành “khi nào thì hạt rơi vào trung tâm?”. Ở “trung tâm”, vật chất bị nén chặt đến mật độ vô cùng lớn. Tại điểm này, thuyết cổ điển của Einstein không còn giá trị. Thay vào đó là các thuyết mới, tổng quát hơn, dự đoán sự sụp đổ không gian, thậm chí thời gian ở mức độ lượng tử, thành cái gọi là bọt lượng tử.
Điều đó có nghĩa là gì, thưa ông?
TSKH Michal Bejger: Chúng ta biết là ở thang độ vi mô, cực tiểu, thế giới trở nên không liên tục, tương tự như các chấm trên màn hình. Hiện tượng này chắc chắn cũng diễn ra trong các điều kiện cực đoan ở rất gần trung tâm lỗ đen, nơi các hiệu ứng lượng tử trở nên hiện hữu. Thời gian và không gian ở đó có bản chất không liên tục, vỡ ra thành từng mảnh và trộn lẫn vào nhau.
Thật khó để hình dung điều đó, ấy là chưa nói đến nghiên cứu và mô tả bằng số liệu…
TSKH Michal Bejger: Đúng vậy. Có rất nhiều thuyết thử thống nhất thuyết tương đối của Einstein với cơ học lượng tử, tuy nhiên chưa có thành công. Tuy nhiên những thuyết ấy gợi nhiều suy nghĩ về thời gian và không gian: Liệu mỗi lỗ đen có thể là khởi đầu của vũ trụ mới? Liệu bên trong lỗ đen có thể tồn tại các đường hầm không- thời gian liên kết các phần khác nhau của vũ trụ? Phải chăng thời gian thực sự tồn tại hay chỉ là ảo giác? Nhờ nghiên cứu lỗ đen – những “quái vật” không gian, chúng ta sẽ tìm được lời giải cho những câu hỏi đó.
Các nhà khoa học ở Viện Vật lý Thiên văn ở Granada (Tây Ban Nha) đã quan sát được “cuộc tàn sát man rợ các ngôi sao” của lỗ đen trong thiên hà ARP 299, cách chúng ta khoảng 150 triệu năm ánh sáng. Sự kiện này có phải là hiếm hoi trong vũ trụ, thưa ông?
TSKH Michal Bejger: Đúng vậy. Chính vì thế đây là quan sát rất thú vị. Trong thiên hà của chúng ta cũng có một lỗ đen siêu nặng tương tự (lỗ đen Sgr. A với khối lượng bằng khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt trời). Có rất nhiều ngôi sao quay xung quanh lỗ đen này. Tuy nhiên cho tới nay chúng ta chưa phát hiện ra ngôi sao nào ở quá gần lỗ đen, để có thể bị lỗ đen xé nát thành từng mảnh. Trong khi đó, đối với các lỗ đen khác, hiện tượng đó thỉnh thoảng cũng xảy ra.
Vậy thực chất lỗ đen – những “quái vật” không gian, là gì?
TSKH Michal Bejger: Thuyết hấp dẫn của Einstein đã mô tả về lỗ đen. Theo thuyết này, lực hấp dẫn giữa hai vật thể được giải thích qua hình học: trường hấp dẫn là hậu quả của sự biến dạng không gian và thời gian xung quanh những vật thể nặng.
Một trong những lý giải của thuyết này là các khu vực không- thời gian bị cong đến mức ánh sáng (với vận tốc lớn nhất) cũng không thể thoát ra được. Đó chính là các lỗ đen – những mảnh không gian phi vật chất mà từ đó không thể chạy thoát được.
Khoảng cách tới hạn mà từ đó không thể thoát ra khỏi lỗ đen (với vận tốc ánh sáng) được gọi là chân trời sự kiện của lỗ đen.
Khi một ngôi sao di chuyển đến gần chân trời sự kiện, nó luôn bị xé nát?
TSKH Michal Bejger: Tùy thuộc vào việc lỗ đen lớn như thế nào và ngôi sao “đặc” như thế nào. Có thể xảy ra hiện tượng là ngôi sao rơi luôn vào chân trời sự kiện. Khi đó, sự kiện không có gì là ngoạn mục cả. Ngôi sao đơn giản chỉ đột ngột biến mất trong tầm quan sát và không bao giờ xuất hiện trở lại nữa.
Ngược lại, nếu trước khi rơi vào chân trời sự kiện, ngôi sao bị xé nát bởi các lực “thủy triều” (tidal forces) thì vật chất ngôi sao sẽ văng ra xung quanh với vận tốc rất lớn. Vật chất này nóng lên và tạo thành đĩa vật chất sáng chói, quay xung quanh lỗ đen (gọi là đĩa bồi tụ), đồng thời phun ra các tia vật chất.
Bị chi phối bởi định luật hấp dẫn
Dường như tại trung tâm mỗi thiên hà đều có các lỗ đen siêu nặng. Chúng từ đâu ra? Có phải chúng xuất hiện đầu tiên, sau đó xung quanh chúng mới hình thành thiên hà, hay ngược lại?
TSKH Michal Bejger: Hiện nay có hai giả thuyết. Giả thuyết thứ nhất cho rằng các lỗ đen hình thành trong giai đoạn rất sớm của vũ trụ từ những thay đổi mật độ vật chất tối, còn xung quanh chúng hội tụ vật chất thường và hình thành các thiên hà.
Theo giả thuyết thứ hai, các lỗ đen lớn xuất hiện trong các thiên hà do sự va chạm và liên kết các lỗ đen nhỏ hơn. Tuy nhiên sự thật cũng có thể là các lỗ đen siêu nặng và các thiên hà xuất hiện và tiến hóa trong cùng một thời gian.
Vậy có phải lỗ đen siêu nặng, tựa như lốc xoáy, sẽ hút tất cả các ngôi sao trong thiên hà?
TSKH Michal Bejger: Không. Đó là hình dung sai lầm và thường xuyên về lực hấp dẫn lớn khủng khiếp của các lỗ đen. Mỗi lỗ đen, thậm chí không quá nặng ở trung tâm thiên hà hành xử như bất kỳ khối vật chất nào khác và bị các định luật hấp dẫn chi phối. Thêm nữa, một thiên hà trung bình, có khối lượng nặng hơn siêu lỗ đen ở trung tâm rất nhiều.
Các ngôi sao bị hút bởi khối lượng nằm bên trong quỹ đạo của chúng. Có thể nói rằng các ngôi sao quay xung quanh trung tâm thiên hà tương tự như các hành tinh quay xung quanh Mặt trời (trong Hệ Mặt trời).
Điều gì xảy ra với vật chất ngôi sao sau khi rơi vào chân trời sự kiện?
TSKH Michal Bejger: Chúng ta chỉ biết điều đó về mặt lý thuyết, bởi trong thực tế các quan sát thiên văn chỉ thực hiện được trong khu vực gọi là “phía của chúng ta”, tức là bên ngoài chân trời sự kiện. Theo lý thuyết, đằng sau chân trời sự kiện diễn ra những hiện tượng lạ kỳ, chẳng hạn như hướng trục thời gian thay đổi, hướng về phía “trung tâm” lỗ đen, thời gian hòa lẫn vào không gian.
Ở phía sau chân trời sự kiện, câu hỏi “trung tâm của lỗ đen ở đâu?” đổi thành “khi nào thì hạt rơi vào trung tâm?”. Ở “trung tâm”, vật chất bị nén chặt đến mật độ vô cùng lớn. Tại điểm này, thuyết cổ điển của Einstein không còn giá trị. Thay vào đó là các thuyết mới, tổng quát hơn, dự đoán sự sụp đổ không gian, thậm chí thời gian ở mức độ lượng tử, thành cái gọi là bọt lượng tử.
Điều đó có nghĩa là gì, thưa ông?
TSKH Michal Bejger: Chúng ta biết là ở thang độ vi mô, cực tiểu, thế giới trở nên không liên tục, tương tự như các chấm trên màn hình. Hiện tượng này chắc chắn cũng diễn ra trong các điều kiện cực đoan ở rất gần trung tâm lỗ đen, nơi các hiệu ứng lượng tử trở nên hiện hữu. Thời gian và không gian ở đó có bản chất không liên tục, vỡ ra thành từng mảnh và trộn lẫn vào nhau.
Thật khó để hình dung điều đó, ấy là chưa nói đến nghiên cứu và mô tả bằng số liệu…
TSKH Michal Bejger: Đúng vậy. Có rất nhiều thuyết thử thống nhất thuyết tương đối của Einstein với cơ học lượng tử, tuy nhiên chưa có thành công. Tuy nhiên những thuyết ấy gợi nhiều suy nghĩ về thời gian và không gian: Liệu mỗi lỗ đen có thể là khởi đầu của vũ trụ mới? Liệu bên trong lỗ đen có thể tồn tại các đường hầm không- thời gian liên kết các phần khác nhau của vũ trụ? Phải chăng thời gian thực sự tồn tại hay chỉ là ảo giác? Nhờ nghiên cứu lỗ đen – những “quái vật” không gian, chúng ta sẽ tìm được lời giải cho những câu hỏi đó.
