Lỗ đen
Lỗ đen là vùng không thời gian nơi lực hấp dẫn mạnh đến mức không có gì vượt qua event horizon có thể thoát ra, được hình thành bởi sự sụp đổ của các ngôi sao lớn, sự hợp nhất hoặc sự phát triển của các vật thể nhỏ gọn khổng lồ trong trung tâm thiên hà.
Lỗ đen là gì
Lỗ đen không phải là một lỗ trống trong không gian. Đó là một khu vực mà vật chất và năng lượng bị cong không thời gian mạnh đến mức, vượt ra ngoài ranh giới được gọi là event horizon, mọi đường đi trong tương lai đều hướng vào trong. Không có gì vượt qua ranh giới đó có thể gửi tín hiệu trở lại, thậm chí cả ánh sáng. Bản thân các lỗ đen thì tối, nhưng vật chất, các ngôi sao, khí và ánh sáng xung quanh chúng có thể tiết lộ vị trí của chúng.
Chân trời sự kiện và điểm kỳ dị
event horizon là điểm không thể quay lại. Nó không phải là một bề mặt cứng như một hành tinh mà là một ranh giới trong không thời gian. Trong các mô hình toán học đơn giản, mọi thứ bên trong đều sụp đổ về một điểm kỳ dị, nơi mật độ và độ cong trở nên vô hạn. Các nhà vật lý không coi cái vô hạn đó là một câu trả lời hoàn chỉnh. Đó là dấu hiệu cho thấy general relativity đang bị đẩy ra ngoài phạm vi của nó và cần có một lý thuyết sâu hơn, có lẽ liên quan đến lực hấp dẫn lượng tử.
Lỗ đen hình thành như thế nào
Nhiều lỗ đen hình thành khi một ngôi sao khổng lồ hết nhiên liệu hạt nhân và lõi của nó sụp đổ dưới lực hấp dẫn. Nếu phần lõi còn lại đủ lớn thì áp suất chưa biết có thể ngăn chặn sự sụp đổ. Lỗ đen cũng có thể phát triển bằng cách hút khí, bụi và sao hoặc bằng cách hợp nhất với các lỗ đen khác. Các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà có thể đã phát triển thông qua sự kết hợp của quá trình hình thành hạt giống sớm, nạp năng lượng nhanh và sự sáp nhập lặp đi lặp lại, nhưng lịch sử sớm nhất của chúng vẫn là một vấn đề nghiên cứu tích cực.
Các loại lỗ đen
Các lỗ đen có khối lượng bằng sao thường được hình thành từ những ngôi sao lớn bị sụp đổ. Các lỗ đen siêu lớn có khối lượng gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần Mặt trời và nằm ở trung tâm của nhiều thiên hà, bao gồm Sagittarius A* trong Milky Way. Các lỗ đen khối lượng trung bình có thể thu hẹp khoảng cách giữa các lỗ đen sao và siêu lớn, nhưng chúng khó xác nhận hơn. Các lỗ đen nguyên thủy là những vật thể giả thuyết có thể đã hình thành trong vũ trụ sơ khai, mặc dù chưa có vật thể nào được xác nhận.
Những gì chúng ta có thể quan sát
Các nhà thiên văn học không thể nhìn thấy bên trong event horizon, nhưng họ có thể quan sát môi trường xung quanh lỗ đen. Khí rơi vào bên trong có thể tạo thành một đĩa bồi tụ nóng phát sáng ở X-rays và các bước sóng khác. Các ngôi sao quay quanh một vật thể nhỏ gọn vô hình có thể tiết lộ khối lượng của nó. Máy bay phản lực có thể phóng từ các khu vực gần các lỗ đen đang nuôi dưỡng. Sóng hấp dẫn có thể tiết lộ sự hợp nhất. Các kính viễn vọng vô tuyến được liên kết trên khắp Trái đất có thể chụp ảnh vùng giống như bóng tối xung quanh các lỗ đen siêu lớn gần đó.
Event Horizon Telescope hình ảnh
Năm 2019, Event Horizon Telescope đã công bố hình ảnh đầu tiên về bóng của lỗ đen, cho thấy lỗ đen siêu lớn M87* trong thiên hà Messier 87. Vào năm 2022, nhóm hợp tác đã công bố hình ảnh của Sagittarius A*, lỗ đen ở trung tâm Milky Way. Những hình ảnh này không hiển thị trực tiếp event horizon dưới dạng bề mặt. Chúng cho thấy ánh sáng bị bẻ cong bởi trọng lực xung quanh lỗ đen, tạo thành một vòng sáng và bóng tối ở trung tâm phù hợp với general relativity.
Thuyết tương đối, thời gian và trọng lực
Lỗ đen là một trong những dự đoán rõ ràng nhất của general relativity của Einstein. Ở gần một lỗ đen, lực hấp dẫn làm thay đổi đường đi của ánh sáng, kéo dài thời gian so với những người quan sát ở xa và tạo ra lực thủy triều cực mạnh. Đối với một lỗ đen nhỏ, lực hấp dẫn thủy triều ở gần đường chân trời có thể kéo căng một vật thể một cách đáng kể, một quá trình được gọi là quá trình spaghetti hóa. Đối với một lỗ đen siêu lớn, đường chân trời có thể ít dữ dội cục bộ hơn nhiều mặc dù vẫn không thể thoát ra ngoài một khi đã vượt qua.
Tại sao chúng quan trọng
Lỗ đen quan trọng vì chúng kết nối những câu hỏi lớn nhất và nhỏ nhất trong vật lý. Họ định hình các thiên hà, quasar năng lượng và các tia năng lượng, tạo ra sóng hấp dẫn, kiểm tra general relativity và phơi bày sự căng thẳng giữa lực hấp dẫn, cơ học lượng tử, thông tin và nhiệt động lực học. Nghiên cứu các lỗ đen giúp các nhà khoa học hiểu được các thiên hà phát triển như thế nào, không thời gian hoạt động như thế nào trong những điều kiện khắc nghiệt và nơi mà các lý thuyết hiện tại không còn đủ nữa.