Lỗ đen là một vùng không gian nơi lực hấp dẫn cực mạnh đến nỗi không gì — dù là vật chất hay ánh sáng — có thể thoát ra được.

Không phải do một lực lượng kỳ lạ nào đó trong khoa học viễn tưởng, mà là do chính định luật hấp dẫn giữ các hành tinh trong quỹ đạo, nhưng bị đẩy đến cực điểm khiến không gian bị biến dạng.

Chúng có thật, được ghi chép đầy đủ, và vào năm 2019, một mạng lưới kính viễn vọng vô tuyến toàn cầu đã chụp được hình ảnh trực tiếp đầu tiên về một trong số chúng.

Quá trình hình thành hố đen

Hầu hết các hố đen bắt đầu từ những ngôi sao khổng lồ — những vật thể nặng hơn Mặt Trời nhiều lần. Khi một ngôi sao cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân, nó không còn tạo ra được áp suất hướng ra ngoài để cân bằng trọng lực. Lõi sụp đổ dữ dội. Trong một số trường hợp, điều này kích hoạt một vụ nổ siêu tân tinh, thổi các lớp ngoài vào không gian.

Nếu còn đủ khối lượng trong lõi đang sụp đổ, không có lực nào trong tự nhiên có thể ngăn chặn sự sụp đổ. Hố đen là những gì còn lại. Các vật thể hình thành có khối lượng từ vài lần khối lượng Mặt Trời đến khoảng 40 lần khối lượng Mặt Trời, tùy thuộc vào ngôi sao ban đầu. Ở đầu kia của phổ kích thước, các hố đen siêu khối lượng — chứa hàng triệu đến hàng tỷ khối lượng Mặt Trời — nằm ở trung tâm của hầu hết mọi thiên hà lớn, bao gồm cả Dải Ngân hà của chúng ta.

Chân trời sự kiện và điểm kỳ dị

Một lỗ đen có hai đặc điểm cấu trúc xác định. Chân trời sự kiện là một ranh giới hình cầu — một điểm không thể quay trở lại. Bất cứ thứ gì đi vào bên trong đều không thể quay trở lại, bởi vì làm như vậy sẽ cần phải di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Chân trời sự kiện không phải là một bề mặt rắn.

Nó giống như một ngưỡng trong không gian, vô hình và về nguyên tắc có thể vượt qua, sau đó tất cả các con đường chỉ dẫn vào bên trong. Kích thước của nó phụ thuộc vào khối lượng: một lỗ đen có khối lượng tương đương với Mặt trời của chúng ta sẽ có bán kính chân trời sự kiện khoảng 2,9 km. Ranh giới này được đặt tên là bán kính Schwarzschild theo tên nhà vật lý đầu tiên tính toán ra nó.

Ngay tại trung tâm là điểm kỳ dị — một điểm mà theo thuyết tương đối rộng, vật chất bị nén đến thể tích bằng không và mật độ vô hạn. Đây là nơi mà toán học của vật lý hiện tại bị phá vỡ. Thuyết tương đối rộng dự đoán điểm kỳ dị phải tồn tại, nhưng hầu hết các nhà vật lý tin rằng một lý thuyết vật lý hoàn chỉnh hơn, một lý thuyết dung hòa trọng lực với cơ học lượng tử, cuối cùng sẽ thay thế hình ảnh này bằng một cái gì đó ít cực đoan hơn.

Những gì bao quanh một lỗ đen

Một lỗ đen đứng riêng lẻ là vô hình. Điều khiến chúng ta có thể phát hiện ra chúng là vật chất xoáy quanh chúng. Khí và bụi bị hút về phía lỗ đen tạo thành một đĩa bồi tụ: một cấu trúc siêu nóng, quay nhanh và phát ra bức xạ mạnh khi vật chất xoáy vào bên trong.

Nhiệt độ trong đĩa có thể đạt đến hàng triệu độ. Lực hấp dẫn của lỗ đen cũng bẻ cong ánh sáng gần đó mạnh đến mức ánh sáng từ đĩa bồi tụ đi theo những đường cong, dường như bao quanh lỗ đen theo hình dạng méo mó — hiện tượng thấu kính hấp dẫn.

Trong hình ảnh EHT đầu tiên về lỗ đen trung tâm của M87, vòng sáng bao quanh bóng tối là đĩa phát sáng, với độ sáng không đồng đều do vật chất quay với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.

Điều gì xảy ra nếu có vật rơi vào

Trải nghiệm hoàn toàn phụ thuộc vào kích thước của hố đen. Yếu tố quan trọng là lực thủy triều — sự khác biệt về lực hấp dẫn giữa hai điểm trên một vật rơi. Gần một hố đen có khối lượng sao, lực thủy triều trở nên nguy hiểm chết người rất lâu trước khi đến chân trời sự kiện: sự khác biệt về lực hút giữa đầu và chân của một người sẽ đủ lớn để kéo giãn và nén cơ thể, một quá trình mà các nhà vật lý gọi là hiện tượng "spaghettification" (biến dạng thành sợi mì).

Gần một hố đen siêu khối lượng, chân trời sự kiện lớn đến mức lực thủy triều ở ranh giới lại nhẹ nhàng đến bất ngờ — bạn có thể vượt qua nó mà không cảm thấy bất cứ điều gì bất thường. Sự hủy diệt đến sau đó, sâu hơn bên trong.

Bức xạ Hawking và một câu đố chưa được giải đáp

Stephen Hawking đã đề xuất vào những năm 1970 rằng hố đen không hoàn toàn vĩnh cửu. Các hiệu ứng lượng tử gần chân trời sự kiện khiến các cặp hạt hình thành một cách tự phát — một hạt rơi vào trong, một hạt thoát ra ngoài dưới dạng bức xạ nhiệt. Bức xạ Hawking này mang năng lượng ra khỏi hố đen, có nghĩa là nó mất khối lượng rất chậm theo thời gian. Đối với các lỗ đen có khối lượng sao, quá trình này diễn ra chậm đến mức không thể tưởng tượng được — thời gian để bốc hơi hoàn toàn vượt xa tuổi hiện tại của vũ trụ.

Bức xạ Hawking chưa bao giờ được phát hiện trực tiếp, nhưng nó đặt ra một trong những câu hỏi mở sâu sắc nhất trong vật lý: nếu một lỗ đen bốc hơi hoàn toàn, điều gì sẽ xảy ra với tất cả thông tin về mọi thứ đã rơi vào đó? Câu hỏi đó, nghịch lý thông tin lỗ đen, vẫn chưa được giải đáp.

Mỗi hố đen là một dấu hỏi được bao bọc bởi lực hấp dẫn. Giờ đây chúng ta đã biết chúng hình thành như thế nào, những gì bao quanh chúng và cảm giác khi vượt qua chân trời sự kiện ra sao. Nhưng điều gì xảy ra với thông tin bên trong? Và điều gì thay thế điểm kỳ dị? Những câu trả lời đó sẽ đến từ một lý thuyết sâu sắc hơn – một lý thuyết mà chúng ta chưa viết ra.