Hố đen, một khái niệm được nhà vật lý người Đức Albert Einstein (1879-1955) đề cập lần đầu trong Thuyết Tương đối (năm 1916), được xem như một “quái vật” thực sự, có khả năng hút vào mọi vật chất, năng lượng và thậm chí là ánh sáng, làm bẻ cong chúng.

Hố đen, hay còn được gọi là lỗ đen hoặc black hole, đã được gắn cho danh hiệu “quái vật vũ trụ”. Đối với các nhà khoa học, hố đen không chỉ là một vật thể bí ẩn và đáng sợ, mà còn là nguồn cảm hứng vô hạn trong việc khám phá sự hiểu biết của con người về vũ trụ.

Để có cái nhìn sâu sắc về hố đen, ý nghĩa của bức ảnh đầu tiên và cuộc hành trình khám phá tương lai của “quái vật vũ trụ” này, Space.Com sẽ hướng dẫn chúng ta khám phá ngành này.

Thuật ngữ “Hố đen” không được đề cập trong Thuyết Tương đối năm 1916 của Einstein. Nó được giới khoa học biết đến khi nhà thiên văn học người Mỹ John Wheeler (1911-2008), một trong những cộng tác viên cuối cùng của Albert Einstein, đưa ra lần đầu tiên vào năm 1967.

Hố đen được định nghĩa là một vùng không-gian không-thời gian có trường hấp dẫn cực mạnh, mà không cho phép bất kỳ vật chất, bức xạ hay ánh sáng nào thoát ra khỏi nó.

Hố đen được hình thành từ ba “lớp” khác nhau: chân trời sự kiện phía ngoài, chân trời sự kiện phía trong và vùng kỳ dị.

Minh họa bước vào không gian đen tối.

Ranh giới xung quanh miệng hố đen được gọi là chân trời sự kiện, nơi mà không có ánh sáng có thể thoát ra. Mọi vật chất và bức xạ bị hút vào chân trời sự kiện đều không thể thoát ra được. Trọng lực trong chân trời sự kiện là không đổi.

Vùng kỳ quặc là nơi chứa tất cả khối lượng của hố đen, vì vậy đây là khu vực có mật độ vật chất vô tận.

Các ngôi sao trong giai đoạn cuối của quá trình tiến hóa sẽ phồng lên và mất dần khối lượng.- Khi đạt đến một điểm nhất định, ngôi sao sẽ trải qua một vụ nổ lớn, gọi là siêu tân tinh.- Sự hủy diệt của ngôi sao này tạo ra một hố đen.

Một vụ nổ khủng khiếp sẽ ký hiệu cho sự tiêu diệt của ngôi sao này (được gọi là siêu tân tinh). Hình ảnh minh họa: EarthSky.

Tuy nhiên, mọi việc vẫn chưa hoàn thành. Sau vụ nổ, vật chất bị phóng ra ngoài, để lại lõi của ngôi sao. Khi một ngôi sao “còn sống”, phản ứng tổng hợp hạt nhân sẽ tạo ra một lực đẩy để cân bằng lực hút từ khối lượng của ngôi sao. Tuy nhiên, khi ngôi sao “chết”, không còn lực nào chống lại lực hút đó nữa, lõi của ngôi sao bắt đầu sụp đổ.

Nếu lõi sao khổng lồ sụp đổ thành một điểm nhỏ vô hạn, sẽ tạo ra một hố đen. Lõi sao khổng lồ có khối lượng lớn gấp nhiều lần Mặt Trời, khi bị nén thành một điểm nhỏ như vậy, tạo ra một trường hấp dẫn khổng lồ trong hố đen. Hố đen có khả năng nuốt chửng vật chất trên đường đi, làm tăng kích thước và sức mạnh hủy diệt của nó.

Không lưu ý đến nơi nào, nó có khả năng tiêu thụ mọi vật chất trên đường đi, khiến nó ngày càng phát triển và trở nên mạnh mẽ trong việc phá hủy. Hình ảnh: Internet.

Hãy tưởng tượng, khi một lõi sao rất dày đặc, có khối lượng nhiều hơn Mặt Trời nén lại trong một không gian nhỏ chỉ bằng một thành phố, sẽ tạo ra một lực hấp dẫn “rất mạnh mẽ”, cuốn theo các vật chất, năng lượng gần nó. Từ bụi, khí, năng lượng, bức xạ… Hố đen ngày càng lớn trở thành một “quái vật” thực sự.

Trong Thuyết Tương đối của Einstein, một siêu hố đen có thể có khối lượng của hàng tỷ Mặt Trời do liên tục nuốt vật chất trong vũ trụ.

Trong Dải Ngân Hà, có tồn tại hố đen hay không? Có! Theo các nhà thiên văn học, đã được xác định rằng trung tâm Ngân Hà của chúng ta có một hố đen siêu khổng lồ được gọi là Sagittarius A.

Trên khắp vũ trụ, ngôi sao sẽ luôn “chết” và từ đó, hố đen có thể hình thành. Vì vậy, các nhà thiên văn cho rằng hố đen tồn tại ẩn nấp trong vũ trụ bao la và có mặt ở mọi thiên hà.

Tồn tại ba loại hố đen: Hố đen của ngôi sao, Hố đen siêu khổng lồ và Hố đen trung bình.

Các ngôi sao hấp dẫn.

Hố đen này được hình thành từ một ngôi sao chết, được gọi là siêu tân tinh. Khi một ngôi sao nhỏ (khoảng 3 lần khối lượng Mặt Trời) chết, lõi của nó sẽ trở thành một sao neutron hoặc một sao lùn trắng. Tuy nhiên, khi một ngôi sao khổng lồ chết, lõi của nó sẽ bị nén lại và hình thành một hố đen, còn được gọi là hố đen sao.

Theo Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian: Dải Ngân Hà chứa vài trăm triệu hố đen ngôi sao.

Hình ảnh mô phỏng của một hố đen mới xuất hiện. Nguồn: NASA/JPL-C.

Hố đen siêu khủng (Hố đen siêu khổng lồ).

Siêu hố đen có khối lượng vượt trội so với Mặt Trời, thậm chí hàng triệu lần hoặc hàng tỷ lần, nhưng lại có bán kính tương đương với ngôi sao gần nhất với Trái Đất – Alpha Centauri (nằm cách Trái Đất khoảng 4,3 năm ánh sáng).

Siêu hố đen được cho là nằm ở trung tâm của nhiều thiên hà, bao gồm cả Dải Ngân Hà của chúng ta. Điều này đáng chú ý.

Cùng đến nay, khoa học vẫn chưa có câu trả lời chính xác về quá trình hình thành của siêu hố đen. Có thể chúng được tạo thành từ hàng trăm hoặc hàng nghìn hố đen nhỏ hợp nhất với nhau. Hoặc có thể chúng xuất phát từ quá trình “chết đi” của một cụm sao.

Hố đen trung tâm.

Cách đây không lâu, các nhà khoa học cho rằng hố đen chỉ có kích thước nhỏ hoặc lớn, nhưng nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra khả năng tồn tại của hố đen vừa phải.

Các hố đen như thế có thể xuất hiện khi các cụm ngôi sao nhỏ chết đi. Năm 2014, nhà thiên văn đã phát hiện một vật thể giống lỗ đen trung bình trong một thiên hà xoắn ốc.

Hiện tại, các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới đang cố gắng tìm kiếm và nghiên cứu về loại hố đen trung bình này.

Hố đen được hình thành từ sự “chết” của một ngôi sao, có khối lượng lớn hơn nhiều lần so với Mặt Trời, do đó nó sở hữu một lực hút khủng khiếp. Điều này cũng là một thách thức đối với các nhà thiên văn học khi nghiên cứu và quan sát hố đen.

Làm thế nào để giải quyết “bài toán khó” này khi họ không thể quan sát chúng như chúng ta quan sát các ngôi sao và các vật thể khác trong không gian?

Sau hơn 10 năm nghiên cứu, hơn 200 nhà khoa học quốc tế đã tìm ra cách chụp được ảnh hố đen, một điều không thể bằng các phương pháp thông thường. Kỹ thuật này dựa trên việc sử dụng bức xạ phát ra từ bụi và khí được hút vào “quái vật vũ trụ” để hố đen được “hiện nguyên hình”.

Kết quả: Nhân loại đã có bằng chứng về sự hiện diện của vùng không gian siêu đen.

Bức ảnh của hố đen được chụp bởi kính EHT, được cung cấp bởi các nhà khoa học vào ngày 10/4/2019. Nguồn: EHT collaboration.

Hình ảnh của hố đen được công bố vào ngày 10/4/2019 thuộc về hố đen trong thiên hà Messier 87, cách chúng ta 53 triệu năm ánh sáng, nằm gần cụm thiên hà Xử Nữ.

Lỗ đen này có khối lượng lớn hơn 6,5 tỷ lần so với khối lượng của Mặt Trời và có kích thước tương đương với dải Ngân Hà của chúng ta, có đường kính khoảng 38 tỷ km (tương đương với 1,5 ngày ánh sáng).

Đây là một “cực phẩm” được tạo ra từ sự kết hợp của tám kính thiên văn thuộc dự án Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (Event Horizon Telescope). Các kính thiên văn này được đặt tại các địa điểm như Chile, Hawaii, Arizona, Mexico, Tây Ban Nha và cực Nam của Trái Đất. Kỹ thuật giao thoa với đường cơ sở rất dài đã được sử dụng để tạo ra một mạng lưới kính thiên văn khổng lồ với đường kính tương đương đường kính của Trái Đất.

Hình ảnh của một thiên hà xoắn ốc.

Sau hơn một thế kỷ, các nhà khoa học đã tìm ra bằng chứng xác nhận sự hiện diện của hố đen – một vật thể vũ trụ khổng lồ, bí ẩn mà Einstein đã đề cập trong Thuyết Tương đối.

Tất nhiên, cuộc phiêu lưu khám phá hố đen chưa thể ngừng lại!

The director of the Event Horizon Telescope project, Sheperd Doeleman, announced that the newly released image, although a significant breakthrough, can still be further enhanced for greater clarity.

Các nhà khoa học khát khao có thể thu được hình ảnh sắc nét của siêu hố đen nằm tại trung tâm Dải Ngân Hà của chúng ta, Sagittarius A.

Cùng với việc nâng cấp hệ thống kính thiên văn, các nhà khoa học đang tập trung vào việc quan sát và khám phá những luồng hạt bức xạ có năng lượng cực lớn và vận tốc cực cao, gần bằng vận tốc ánh sáng, được phát ra từ rìa hố đen.

Trong cuộc phiêu lưu khám phá vũ trụ, hố đen, sinh vật ngoài hành tinh và các hành tinh Siêu Trái Đất vẫn là những địa điểm chưa được khám phá bởi con người.

Nhờ sự tiến bộ của khoa học và đóng góp của các nhà khoa học quốc tế, hành trình đó đã nhận được nhiều động lực mới.

Liệu hy vọng về sự tồn tại của cư dân ngoài hành tinh có thành sự thật? Hãy chờ đợi và xem!