Vào thập niên 1930, một nhà vật lý thiên văn 19 tuổi tên là Subrahmanyan Chandrasekhar đã dành thời gian trên một chuyến tàu biển để tính toán điều gì sẽ xảy ra với những ngôi sao có khối lượng lớn khi chúng đi đến cuối vòng đời.

Ông đi đến kết luận rằng những ngôi sao vượt quá một khối lượng nhất định sẽ không thể tránh khỏi việc sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính mình, tạo ra thứ mà ngày nay chúng ta gọi là hố đen.

Tuy nhiên, nhà vật lý thiên văn nổi tiếng nhất thời bấy giờ đã công khai bác bỏ ý tưởng này và cho rằng đó là điều phi lý. Chandrasekhar đã đúng. Nhiều năm sau, ông được trao Giải Nobel. Khoa học đôi khi phát triển theo cách như vậy.

Điều Gì Xảy Ra Tại Chân Trời Sự Kiện?

Chân trời sự kiện là ranh giới không thể quay trở lại bao quanh hố đen, nơi mà bất cứ thứ gì vượt qua, kể cả ánh sáng, đều không thể thoát ra ngoài. Tại đây, thời gian cũng bắt đầu hành xử theo cách vô cùng kỳ lạ. Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng lực hấp dẫn có thể làm chậm dòng chảy của thời gian; trường hấp dẫn càng mạnh thì thời gian trôi càng chậm so với một người quan sát ở rất xa. Ở rìa của hố đen, hiệu ứng này trở nên cực đoan. Một người ở gần chân trời sự kiện sẽ cảm nhận thời gian trôi qua chậm hơn rất nhiều so với một người quan sát từ khoảng cách an toàn. Điều đó có nghĩa là hai người có thể trải nghiệm thời gian hoàn toàn khác nhau chỉ vì sự khác biệt về cường độ lực hấp dẫn.

Bài Toán Điểm Kỳ Dị

Tại trung tâm của hố đen, vật chất bị nén ép đến mức tạo thành thứ mà các nhà lý thuyết gọi là điểm kỳ dị, một điểm có mật độ vô hạn và thể tích bằng không. Đây chính là nơi các phương trình của thuyết tương đối rộng không còn hoạt động hiệu quả. Các công thức toán học xuất hiện những giá trị vô hạn, điều mà trong vật lý thường được xem là dấu hiệu cho thấy lý thuyết hiện tại còn thiếu một phần quan trọng nào đó. Điều thực sự xảy ra tại điểm kỳ dị vẫn là một bí ẩn chưa có lời giải. Để trả lời câu hỏi này, các nhà khoa học cần một lý thuyết hoàn chỉnh về hấp dẫn lượng tử, có khả năng kết nối cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng. Cho đến nay, lý thuyết như vậy vẫn chưa tồn tại.

Bức Xạ Hawking

Nhà vật lý Stephen Hawking đã chứng minh trên phương diện lý thuyết rằng hố đen không hoàn toàn “đen” như tên gọi của nó. Các hiệu ứng lượng tử xuất hiện gần chân trời sự kiện khiến hố đen phát ra năng lượng rất chậm dưới dạng bức xạ, hiện được gọi là bức xạ Hawking. Theo thời gian cực kỳ dài, hố đen sẽ dần mất khối lượng thông qua quá trình này. Đối với một hố đen có khối lượng tương đương một ngôi sao, thời gian cần thiết để hoàn tất quá trình này còn dài hơn tuổi hiện tại của vũ trụ. Cho đến nay, bức xạ Hawking vẫn chưa được quan sát trực tiếp. Tuy nhiên, các lập luận lý thuyết đứng sau nó được đánh giá là rất vững chắc. Điều này dẫn đến một câu hỏi sâu sắc khác: thông tin của vật chất rơi vào hố đen sẽ đi đâu? Đây là vấn đề được gọi là nghịch lý thông tin hố đen, một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại và vẫn chưa được giải quyết.

Bức Ảnh Đầu Tiên

Để chụp được hình ảnh trực tiếp đầu tiên của một hố đen, các nhà khoa học phải hướng đồng thời một mạng lưới kính thiên văn vô tuyến trải rộng trên khắp Trái Đất vào cùng một mục tiêu. Bằng cách kết hợp dữ liệu từ nhiều đài quan sát, họ đã tạo ra một kính thiên văn ảo có kích thước tương đương cả hành tinh. Dự án hợp tác này mang tên Kính Thiên Văn Chân Trời Sự Kiện. Thành tựu của nó là tạo ra hình ảnh đầu tiên trong lịch sử về một hố đen: một vòng sáng rực của khí nóng bao quanh vùng bóng tối của một hố đen siêu khối lượng lớn, có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần Mặt Trời và nằm cách chúng ta khoảng 55 triệu năm ánh sáng. Vài năm sau, chính nhóm nghiên cứu này tiếp tục công bố hình ảnh của hố đen nằm ở trung tâm thiên hà chứa Hệ Mặt Trời của chúng ta. Khi nhìn vào bức ảnh đó, chúng ta thực chất đang nhìn về trung tâm của Dải Ngân Hà.

Một chàng trai 19 tuổi trên con tàu năm nào đã tính toán rằng các ngôi sao có thể sụp đổ vào bóng tối. Những người cùng thời đã cười nhạo ông. Nhiều thập kỷ sau, nhân loại đã chụp được hình ảnh của chính bóng tối ấy từ khoảng cách 55 triệu năm ánh sáng. Sau đó, chúng ta còn chụp được hố đen nằm ngay tại trung tâm thiên hà của mình. Ngày nay, hố đen không còn là những giả thuyết kỳ lạ chỉ tồn tại trên giấy. Chúng là những vật thể có thật, khổng lồ và hiện diện khắp vũ trụ. Thế nhưng những câu hỏi khó nhất vẫn chưa có lời giải. Điều gì thực sự xảy ra bên trong điểm kỳ dị? Thông tin có biến mất vĩnh viễn hay không? Khoa học đôi khi tiến rất chậm. Nhưng nó vẫn luôn tiến về phía trước. Và chỉ riêng điều đó cũng đủ để con người tiếp tục ngước nhìn bầu trời và tìm kiếm câu trả lời.