Hố đen là gì? Hố đen lớn nhất trong vũ trụ

1. Định nghĩa về hố đen

Hố đen (black hole) là một vùng trong không-thời gian mà lực hấp dẫn mạnh đến mức không có bất kỳ vật chất hoặc bức xạ nào, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra ngoài. Khái niệm về hố đen xuất phát từ thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein, và chúng là một trong những đối tượng kỳ lạ và hấp dẫn nhất trong vật lý thiên văn.

Hố đen được phát hiện khá sớm từ những thế kỷ 18 nhưng được công nhận và chứng minh qua các quan sát và nghiên cứu thực tế trong thế kỷ 20. Cụ thể là:

• Thế kỷ 18 – Khái niệm ban đầu:
  • Nhà triết học và toán học người Anh, John Michell, vào năm 1783, và nhà khoa học người Pháp, Pierre-Simon Laplace, vào năm 1796, đã độc lập đề xuất ý tưởng về các vật thể có lực hấp dẫn mạnh đến mức ánh sáng không thể thoát ra. Tuy nhiên, đây chỉ là các lý thuyết suy đoán và chưa có bằng chứng thực tế.
• 1916 – Karl Schwarzschild:
  • Karl Schwarzschild, một nhà vật lý người Đức, đã tìm ra nghiệm chính xác đầu tiên cho các phương trình trường của thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein. Nghiệm này mô tả một trường hấp dẫn của một vật thể khối lượng lớn và dẫn đến khái niệm về bán kính Schwarzschild, sau này được hiểu là bán kính của chân trời sự kiện của một hố đen.

Các mốc quan sát và công nhận thực nghiệm:

1. 1960 – Bắt đầu nghiên cứu về hố đen:
   • John Archibald Wheeler, một nhà vật lý người Mỹ, đã giới thiệu thuật ngữ “black hole” (hố đen) vào năm 1967. Thời gian này, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu sâu hơn về các đặc tính và hành vi của hố đen.
2. 1971 – Cygnus X-1:
   • Một trong những hố đen sao đầu tiên được công nhận là Cygnus X-1. Đây là một nguồn tia X mạnh mẽ nằm trong chòm sao Thiên Nga (Cygnus). Nghiên cứu vào đầu những năm 1970 chỉ ra rằng Cygnus X-1 có khả năng là một hố đen sao, làm cho nó trở thành một trong những hố đen đầu tiên được phát hiện qua quan sát thực tế.
3. 2015 – Sóng hấp dẫn:
   • Vào tháng 9 năm 2015, Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO) đã phát hiện sóng hấp dẫn từ vụ va chạm của hai hố đen. Đây là lần đầu tiên sóng hấp dẫn được quan sát trực tiếp, xác nhận sự tồn tại của hố đen và mở ra một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu về hố đen.
4. 2019 – Hình ảnh đầu tiên của hố đen:
   • Vào tháng 4 năm 2019, Kính thiên văn Chân trời sự kiện (Event Horizon Telescope, EHT) đã công bố hình ảnh đầu tiên của chân trời sự kiện của một hố đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm của thiên hà M87. Đây là một thành tựu quan trọng, cung cấp bằng chứng trực quan về sự tồn tại của hố đen.

2. Hố đen được hình thành như thế nào?

Theo đó, các lỗ đen được hình thành khi một ngôi sao nặng “chết” đi, khiến trọng lượng khổng lồ của nó đè lên phần lõi, tạo nên lực hấp dẫn kéo mọi xuống bên dưới đường chân trời sự kiện. Ngoài ra các Hố đen có thể được hình thành qua nhiều quá trình khác nhau trong vũ trụ, và dưới đây là các cách hình thành chính:

– Hình thành từ sự sụp đổ của sao khối lượng lớn (Stellar Collapse): Khi một ngôi sao có khối lượng lớn (thường lớn hơn khoảng 20 lần khối lượng Mặt Trời) sử dụng hết nhiên liệu hạt nhân trong lõi của nó, quá trình sau sẽ xảy ra:

• Giai đoạn cuối của ngôi sao: Khi ngôi sao hết nhiên liệu, nó không còn đủ áp suất nhiệt để chống lại lực hấp dẫn của chính nó, dẫn đến sự sụp đổ của lõi.
• Siêu tân tinh (Supernova): Quá trình sụp đổ nhanh chóng của lõi ngôi sao dẫn đến một vụ nổ mạnh mẽ gọi là siêu tân tinh. Phần lớn vật chất của ngôi sao bị thổi bay vào không gian, nhưng lõi có thể tiếp tục sụp đổ.
• Hố đen sao (Stellar Black Hole): Nếu lõi còn lại sau vụ nổ siêu tân tinh có khối lượng đủ lớn (thường lớn hơn khoảng 3 lần khối lượng Mặt Trời), nó sẽ tiếp tục sụp đổ dưới trọng lực của chính nó, hình thành một hố đen sao.

– Hố đen siêu khối lượng (Supermassive Black Holes):  Hố đen siêu khối lượng được tìm thấy ở trung tâm của hầu hết các thiên hà, bao gồm cả Dải Ngân Hà, có khối lượng từ hàng triệu đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Quá trình hình thành của chúng có thể bao gồm:

• Sự kết hợp của các hố đen nhỏ hơn: Các hố đen nhỏ hơn có thể hợp nhất lại với nhau qua thời gian để hình thành hố đen siêu khối lượng.
• Tích tụ vật chất: Một hố đen khối lượng trung bình hoặc lớn có thể tiếp tục hút vật chất từ môi trường xung quanh, đặc biệt là từ đĩa bồi tụ, để tăng khối lượng đến mức siêu khối lượng.
• Sự sụp đổ của các cụm sao: Các cụm sao dày đặc có thể trải qua quá trình sụp đổ trực tiếp, dẫn đến sự hình thành hố đen lớn hơn ban đầu.

– Hố đen khối lượng trung bình (Intermediate-Mass Black Holes)

• Sự hợp nhất của các hố đen sao: Khi hai hoặc nhiều hố đen sao hợp nhất, chúng có thể tạo thành một hố đen khối lượng trung bình.
• Sự sụp đổ của các cụm sao đặc biệt: Trong các cụm sao dày đặc, các vụ va chạm và sáp nhập có thể dẫn đến sự hình thành hố đen khối lượng trung bình.

– Hố đen nguyên thủy (Primordial Black Holes): Đây là những hố đen giả định có thể hình thành ngay sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang) từ các dao động mật độ cao trong vũ trụ sơ khai. Chúng có thể có khối lượng từ rất nhỏ đến rất lớn và có thể đã đóng vai trò trong việc hình thành cấu trúc của vũ trụ ngày nay.

Ngoài ra Các hố đen có thể hình thành và phát triển qua quá trình va chạm và hợp nhất với nhau. Các sự kiện này thường được phát hiện qua các sóng hấp dẫn mà chúng tạo ra, như đã được quan sát bởi các đài quan sát sóng hấp dẫn như LIGO và Virgo.

Hoặc trong một số trường hợp, một đám mây khí khổng lồ có thể sụp đổ trực tiếp thành một hố đen mà không trải qua giai đoạn hình thành sao. Quá trình này có thể tạo ra hố đen với khối lượng từ trung bình đến siêu khối lượng.

3. Đặc điểm chính của hố đen?

Nhắc đến hố đen sẽ có những điều sau bạn cần biết?

• Đường chân trời sự kiện: Ranh giới mà không gì có thể thoát ra, kể cả ánh sáng.
• Kỳ dị: Điểm ở trung tâm với mật độ và độ cong không-thời gian vô hạn.
• Khối lượng lớn: Tạo ra lực hấp dẫn cực mạnh.
• Không có hình dạng cố định: Bị chi phối bởi lực hấp dẫn, không có bề mặt cứng.
• Tính chất không thể đảo ngược: Vật chất và năng lượng chỉ có thể rơi vào, không thể thoát ra.

4. Những lỗ đen vũ trụ đặc biệt nhất

* Hố đen nào lớn nhất trong vũ trụ?

Ở thời điểm hiện tại Hố đen lớn nhất được phát hiện trong vũ trụ tính đến nay là hố đen siêu khối lượng. Một trong những hố đen siêu khối lượng lớn nhất đã được xác định là tại trung tâm của thiên hà TON 618.

• Khối lượng: Ước tính khoảng 66 tỷ lần khối lượng Mặt Trời.
• Đặc điểm: Đây là một trong những quasar sáng nhất từng được phát hiện, và khối lượng khổng lồ của hố đen này làm cho nó trở thành một trong những hố đen lớn nhất được biết đến trong vũ trụ.

* Hố đen nào nhỏ nhất trong vũ trụ?

Lỗ đen nhỏ nhất được các nhà thiên văn học biết đến vào thời điểm này có khối lượng bằng 3,8 lần mặt trời và có đường kính sự kiện khoảng 24 km. Nó được gọi là XTE J1650-500 và “có thể nhìn thấy” ở bán cầu nam trong chòm sao Ara.

Nó được xác định vào năm 2008. Vì vậy, đây là một phát hiện quan trọng trong việc đặt ra giới hạn cho các loại vật thể này. Hiện tại lỗ đen nhỏ nhất có thể tồn tại trong vũ trụ ngày nay của chúng ta có khối lượng chỉ bằng một nửa khối lượng Mặt trăng. Nếu nhỏ hơn, lỗ đen (trong không gian trống rỗng) sẽ bốc hơi nhanh hơn (thông qua bức xạ Hawking) so với tốc độ nó thu được năng lượng khối lượng từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

Lỗ đen nhỏ nhất có thể tồn tại trong bối cảnh vật lý lượng tử có khối lượng bằng khối lượng Planck, tức là khoảng 22 microgam. Nguyên lý bất định ngăn cản một lỗ đen nhỏ hơn lỗ đen này bị giam giữ trong chân trời sự kiện của nó. Một lỗ đen nhỏ như thế này bốc hơi ngay lập tức do bức xạ Hawking.

* Lỗ đen lâu đời nhất:

Một nỗ lực chung của Đài quan sát tia X Chandra và nhóm Kính viễn vọng Không gian James Webb, do Ákos Bogdán dẫn đầu, đã tìm thấy lỗ đen lâu đời nhất cho đến nay.

Đây là một lỗ đen siêu lớn, được phân loại là UHZ1, trong một thiên hà hơn 13 tỷ năm tuổi và là lỗ đen lâu đời nhất từng được xác nhận. Nó khổng lồ đến mức nó có khối lượng gần bằng toàn bộ thiên hà chỉ như độ sáng và năng lượng của tia X được chỉ ra.