Lỗ đen: câu chuyện khám phá những vật thể bí ẩn nhất trong Vũ trụ mà chúng ta sẽ không bao giờ nhìn thấy. Lỗ đen trong không gian là gì

Những lỗ đen bí ẩn và khó nắm bắt. Các định luật vật lý xác nhận khả năng tồn tại của chúng trong vũ trụ, nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi. Nhiều quan sát cho thấy các lỗ tồn tại trong vũ trụ và có hơn một triệu vật thể như vậy.

Lỗ đen là gì?

Trở lại năm 1915, khi giải các phương trình Einstein, người ta đã dự đoán một hiện tượng như “lỗ đen”. Tuy nhiên, cộng đồng khoa học chỉ quan tâm đến chúng vào năm 1967. Khi đó chúng được gọi là “sao sụp đổ”, “sao đóng băng”.

Ngày nay, lỗ đen là một vùng thời gian và không gian có lực hấp dẫn đến mức ngay cả một tia sáng cũng không thể thoát ra khỏi nó.

Lỗ đen được hình thành như thế nào?

Có một số giả thuyết về sự xuất hiện của lỗ đen, được chia thành giả thuyết và thực tế. Lý thuyết thực tế đơn giản và phổ biến nhất là lý thuyết về sự suy sụp hấp dẫn của các ngôi sao lớn.

Khi một ngôi sao đủ lớn, trước khi “chết”, tăng kích thước và trở nên không ổn định, sử dụng hết nhiên liệu cuối cùng của nó. Đồng thời, khối lượng của ngôi sao không thay đổi, nhưng kích thước của nó giảm khi cái gọi là quá trình cô đặc xảy ra. Nói cách khác, khi bị nén lại, lõi nặng “rơi” vào chính nó. Song song với điều này, quá trình nén dẫn đến nhiệt độ bên trong ngôi sao tăng mạnh và các lớp bên ngoài của thiên thể bị xé ra, từ đó các ngôi sao mới được hình thành. Đồng thời, ở trung tâm ngôi sao, lõi rơi vào “trung tâm” của chính nó. Do tác dụng của lực hấp dẫn, tâm sụp đổ đến một điểm - tức là lực hấp dẫn mạnh đến mức chúng hấp thụ phần lõi bị nén chặt. Đây là cách một lỗ đen được sinh ra, nó bắt đầu bóp méo không gian và thời gian đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra khỏi nó.

Ở trung tâm của tất cả các thiên hà là một lỗ đen siêu lớn. Theo thuyết tương đối của Einstein:

“Bất kỳ khối lượng nào cũng làm biến dạng không gian và thời gian.”

Bây giờ hãy tưởng tượng một lỗ đen làm biến dạng thời gian và không gian đến mức nào, bởi vì khối lượng của nó rất lớn nhưng đồng thời bị nén thành một thể tích cực nhỏ. Khả năng này gây ra sự kỳ lạ sau:

“Hố đen gần như có khả năng làm dừng thời gian và nén không gian. Vì sự biến dạng cực độ này, các lỗ trở nên vô hình đối với chúng ta.”

Nếu không nhìn thấy lỗ đen, làm sao chúng ta biết chúng tồn tại?

Đúng vậy, mặc dù lỗ đen là vô hình nhưng nó vẫn có thể được chú ý do vật chất rơi vào đó. Cũng như khí sao, bị lỗ đen thu hút; khi đến gần chân trời sự kiện, nhiệt độ của khí bắt đầu tăng lên giá trị cực cao, dẫn đến phát sáng. Đây là lý do tại sao lỗ đen phát sáng. Nhờ đó, dù yếu, phát sáng nhưng các nhà thiên văn học và vật lý thiên văn giải thích sự hiện diện ở trung tâm thiên hà của một vật thể có thể tích nhỏ nhưng khối lượng rất lớn. Hiện tại, theo kết quả quan sát, khoảng 1000 vật thể đã được phát hiện có hành vi tương tự như lỗ đen.

Lỗ đen và thiên hà

Lỗ đen có thể ảnh hưởng đến các thiên hà như thế nào? Câu hỏi này làm đau đầu các nhà khoa học trên toàn thế giới. Có giả thuyết cho rằng chính các lỗ đen nằm ở trung tâm thiên hà ảnh hưởng đến hình dạng và sự tiến hóa của nó. Và rằng khi hai thiên hà va chạm nhau, các lỗ đen sẽ hợp nhất và trong quá trình này, một lượng năng lượng và vật chất khổng lồ được giải phóng đến mức các ngôi sao mới được hình thành.

Các loại lỗ đen

• Theo lý thuyết hiện có, có ba loại lỗ đen: sao, siêu lớn và thu nhỏ. Và mỗi người trong số họ được hình thành theo một cách đặc biệt.
• - Lỗ đen có khối lượng sao, nó phát triển đến kích thước khổng lồ và sụp đổ.
  - Các lỗ đen siêu lớn có thể có khối lượng tương đương hàng triệu Mặt trời, có khả năng tồn tại ở trung tâm của hầu hết các thiên hà, bao gồm cả Dải Ngân hà của chúng ta. Các nhà khoa học vẫn có những giả thuyết khác nhau về sự hình thành lỗ đen siêu lớn. Cho đến nay, người ta chỉ biết một điều - lỗ đen siêu lớn là sản phẩm phụ của quá trình hình thành các thiên hà. Các lỗ đen siêu lớn - chúng khác với những lỗ đen thông thường ở chỗ chúng có kích thước rất lớn nhưng mật độ lại thấp một cách nghịch lý.
• - Chưa ai có thể phát hiện ra một lỗ đen thu nhỏ có khối lượng nhỏ hơn Mặt trời. Có khả năng các lỗ thu nhỏ đã hình thành ngay sau "Vụ nổ lớn", đây chính xác là sự khởi đầu cho sự tồn tại của vũ trụ chúng ta (khoảng 13,7 tỷ năm trước).
• - Gần đây, một khái niệm mới đã được đưa ra là “lỗ đen trắng”. Đây vẫn là một lỗ đen giả định, đối lập với lỗ đen. Stephen Hawking tích cực nghiên cứu khả năng tồn tại của lỗ trắng.
• - Lỗ đen lượng tử - cho đến nay chúng chỉ tồn tại trên lý thuyết. Lỗ đen lượng tử có thể được hình thành khi các hạt siêu nhỏ va chạm do phản ứng hạt nhân.
• - Lỗ đen sơ cấp cũng là một lý thuyết. Chúng được hình thành ngay sau nguồn gốc của chúng.

Hiện tại, có rất nhiều câu hỏi còn bỏ ngỏ mà các thế hệ tương lai vẫn chưa giải đáp được. Ví dụ, liệu cái gọi là “lỗ sâu” có thực sự tồn tại hay không, với sự trợ giúp của nó, người ta có thể du hành xuyên không gian và thời gian. Chính xác thì điều gì sẽ xảy ra bên trong lỗ đen và những hiện tượng này tuân theo những định luật nào. Còn sự biến mất của thông tin trong lỗ đen thì sao?

Đối với cả các nhà khoa học của các thế kỷ trước lẫn các nhà nghiên cứu của thời đại chúng ta, bí ẩn lớn nhất của vũ trụ là lỗ đen. Có gì bên trong hệ thống hoàn toàn xa lạ này với vật lý? Luật nào được áp dụng ở đó? Thời gian trôi qua như thế nào trong một lỗ đen và tại sao ngay cả lượng tử ánh sáng cũng không thể thoát ra khỏi đó? Tất nhiên, bây giờ chúng ta sẽ cố gắng, từ quan điểm lý thuyết chứ không phải thực tiễn, để hiểu bên trong lỗ đen có gì, về nguyên tắc tại sao nó được hình thành và tồn tại, nó thu hút các vật thể xung quanh nó như thế nào.

Đầu tiên, hãy mô tả đối tượng này

Vì vậy, lỗ đen là một vùng không gian nhất định trong Vũ trụ. Không thể phân biệt nó như một ngôi sao hay hành tinh riêng biệt, vì nó không phải là chất rắn hay chất khí. Nếu không có hiểu biết cơ bản về không thời gian là gì và các chiều này có thể thay đổi như thế nào thì không thể hiểu được bên trong lỗ đen có gì. Vấn đề là khu vực này không chỉ là một đơn vị không gian. làm biến dạng cả ba chiều mà chúng ta biết (dài, rộng và cao) và dòng thời gian. Các nhà khoa học tin chắc rằng ở vùng chân trời (còn gọi là khu vực xung quanh lỗ), thời gian mang ý nghĩa không gian và có thể di chuyển cả tiến và lùi.

Hãy cùng tìm hiểu bí mật của trọng lực

Nếu chúng ta muốn hiểu bên trong lỗ đen có gì, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn lực hấp dẫn là gì. Hiện tượng này là chìa khóa để hiểu bản chất của cái gọi là “lỗ sâu”, nơi mà ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được. Trọng lực là sự tương tác giữa tất cả các vật thể có cơ sở vật chất. Độ mạnh của lực hấp dẫn như vậy phụ thuộc vào thành phần phân tử của vật thể, vào nồng độ của các nguyên tử, cũng như thành phần của chúng. Càng nhiều hạt sụp đổ trong một diện tích không gian nhất định thì lực hấp dẫn càng lớn. Điều này gắn bó chặt chẽ với Lý thuyết Vụ nổ lớn, khi Vũ trụ của chúng ta có kích thước bằng hạt đậu. Đây là trạng thái kỳ dị tối đa, và do một tia lượng tử ánh sáng lóe lên, không gian bắt đầu giãn nở do các hạt đẩy nhau. Các nhà khoa học mô tả lỗ đen hoàn toàn ngược lại. Theo TBZ, bên trong một thứ như vậy là gì? Một điểm kỳ dị tương đương với các chỉ số vốn có trong Vũ trụ của chúng ta tại thời điểm nó ra đời.

Làm thế nào vật chất có thể đi vào lỗ sâu đục?

Có ý kiến ​​​​cho rằng một người sẽ không bao giờ có thể hiểu được chuyện gì đang xảy ra bên trong lỗ đen. Bởi vì một khi ở đó, anh ta sẽ bị trọng lực và lực hấp dẫn đè bẹp theo đúng nghĩa đen. Trên thực tế, điều này là không đúng sự thật. Đúng vậy, lỗ đen là một vùng kỳ dị nơi mọi thứ đều bị nén đến mức tối đa. Nhưng đây hoàn toàn không phải là một chiếc “máy hút bụi không gian” có thể hút tất cả các hành tinh và ngôi sao. Bất kỳ vật thể vật chất nào xuất hiện trên chân trời sự kiện sẽ quan sát thấy sự biến dạng mạnh mẽ của không gian và thời gian (hiện tại, các đơn vị này đứng riêng biệt). Hệ thống hình học Euclide sẽ bắt đầu gặp trục trặc, nói cách khác, chúng sẽ giao nhau và đường nét của các hình lập thể sẽ không còn quen thuộc nữa. Về phần thời gian, nó sẽ dần dần chậm lại. Bạn càng đến gần lỗ, đồng hồ sẽ chạy càng chậm so với thời gian trên Trái đất, nhưng bạn sẽ không nhận thấy điều đó. Khi rơi vào lỗ sâu đục, vật sẽ rơi với vận tốc bằng 0 nhưng đơn vị này sẽ bằng vô cực. độ cong, làm cho vô hạn bằng 0, cuối cùng khiến thời gian dừng lại ở vùng kỳ dị.

Phản ứng với ánh sáng phát ra

Vật thể duy nhất trong không gian thu hút ánh sáng là lỗ đen. Người ta vẫn chưa biết bên trong nó có gì và dưới hình thức nào, nhưng người ta tin rằng đó là bóng tối như mực, điều không thể tưởng tượng được. Lượng tử ánh sáng đến được đó không đơn giản biến mất. Khối lượng của chúng nhân với khối lượng của điểm kỳ dị khiến nó càng lớn hơn và phóng to ra, nên nếu ở trong lỗ sâu đục bạn bật đèn pin nhìn xung quanh thì nó sẽ không phát sáng. Lượng tử phát ra sẽ liên tục nhân với khối lượng của lỗ, và nói một cách đại khái, bạn sẽ chỉ khiến tình hình của mình trở nên tồi tệ hơn.

Lỗ đen ở mỗi bước

Như chúng ta đã tìm ra, cơ sở của sự hình thành là trọng lực, cường độ của nó lớn hơn hàng triệu lần so với trên Trái đất. Một ý tưởng chính xác về lỗ đen là gì đã được đưa ra cho thế giới bởi Karl Schwarzschild, người trên thực tế đã phát hiện ra chính chân trời sự kiện và điểm không thể quay lại, đồng thời xác định rằng số 0 trong trạng thái kỳ dị bằng với vô cực. Theo quan điểm của ông, lỗ đen có thể hình thành ở bất kỳ điểm nào trong không gian. Trong trường hợp này, một vật thể vật chất nhất định có dạng hình cầu phải đạt tới bán kính hấp dẫn. Ví dụ, khối lượng hành tinh của chúng ta phải vừa với thể tích của một hạt đậu để trở thành một lỗ đen. Và Mặt trời phải có đường kính 5 km với khối lượng của nó - khi đó trạng thái của nó sẽ trở nên kỳ dị.

Chân trời cho sự hình thành của một thế giới mới

Các định luật vật lý và hình học hoạt động hoàn hảo trên trái đất và ngoài vũ trụ, nơi không gian gần như chân không. Nhưng chúng hoàn toàn mất đi ý nghĩa của chúng trên chân trời sự kiện. Đây là lý do tại sao, từ quan điểm toán học, không thể tính toán được bên trong lỗ đen có những gì. Những bức tranh mà bạn có thể nghĩ ra nếu uốn cong không gian theo ý tưởng của chúng ta về thế giới có lẽ khác xa sự thật. Người ta mới chỉ xác định rằng thời gian ở đây biến thành một đơn vị không gian và rất có thể, một số thứ khác được thêm vào các chiều hiện có. Điều này khiến người ta có thể tin rằng bên trong một lỗ đen (một bức ảnh, như bạn đã biết, sẽ không thể hiện điều này, vì ánh sáng ở đó ăn chính nó) các thế giới hoàn toàn khác nhau được hình thành. Những Vũ trụ này có thể bao gồm phản vật chất, hiện nay các nhà khoa học chưa biết đến. Cũng có những phiên bản cho rằng quả cầu không thể quay lại chỉ là một cánh cổng dẫn đến một thế giới khác hoặc đến các điểm khác trong Vũ trụ của chúng ta.

Sinh và tử

Không chỉ sự tồn tại của lỗ đen là sự hình thành hay biến mất của nó. Một quả cầu làm biến dạng không-thời gian, như chúng ta đã tìm ra, được hình thành do sự co lại. Đây có thể là vụ nổ của một ngôi sao lớn, sự va chạm của hai hoặc nhiều vật thể trong không gian, v.v. Nhưng làm thế nào mà vật chất có thể được chạm vào về mặt lý thuyết lại trở thành một phạm vi biến dạng của thời gian? Câu đố là một công việc đang được tiến hành. Nhưng tiếp theo là câu hỏi thứ hai - tại sao những quả cầu không thể quay lại như vậy lại biến mất? Và nếu lỗ đen bốc hơi thì tại sao ánh sáng và toàn bộ vật chất vũ trụ mà chúng hút vào không thoát ra khỏi chúng? Khi vật chất trong vùng kỳ dị bắt đầu giãn nở, lực hấp dẫn giảm dần. Kết quả là, lỗ đen đơn giản tan biến và không gian chân không thông thường bên ngoài vẫn giữ nguyên vị trí của nó. Tiếp theo đó là một bí ẩn khác - mọi thứ liên quan đến nó đã đi đâu?

Trọng lực có phải là chìa khóa dẫn đến một tương lai hạnh phúc của chúng ta?

Các nhà nghiên cứu tự tin rằng tương lai năng lượng của nhân loại có thể được định hình bởi lỗ đen. Những gì bên trong hệ thống này vẫn chưa được biết, nhưng người ta đã xác định rằng ở chân trời sự kiện, mọi vật chất đều được chuyển hóa thành năng lượng, nhưng tất nhiên là một phần. Ví dụ, một người, thấy mình gần đến điểm không thể quay lại, sẽ nhường 10% vật chất của mình để xử lý thành năng lượng. Con số này đơn giản là khổng lồ, nó đã trở thành một cảm giác trong giới thiên văn học. Thực tế là trên Trái đất chỉ có 0,7% vật chất được chuyển hóa thành năng lượng.

Mỗi người làm quen với thiên văn học sớm hay muộn đều trải qua sự tò mò mạnh mẽ về vật thể bí ẩn nhất của Vũ trụ - lỗ đen. Đây là những chúa tể bóng tối thực sự, có khả năng “nuốt chửng” bất kỳ nguyên tử nào đi qua gần đó và không cho phép ánh sáng thoát ra ngoài - sức hút của chúng rất mạnh mẽ. Những vật thể này đặt ra một thách thức thực sự cho các nhà vật lý và thiên văn học. Người trước vẫn chưa thể hiểu điều gì xảy ra với vật chất rơi bên trong lỗ đen, và người sau, mặc dù họ giải thích hiện tượng tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong không gian là sự tồn tại của lỗ đen, nhưng chưa bao giờ có cơ hội quan sát trực tiếp bất kỳ hiện tượng nào trong số chúng. . Chúng tôi sẽ cho bạn biết về những thiên thể thú vị này, tìm hiểu những gì đã được khám phá và những gì còn cần tìm hiểu để vén bức màn bí mật.

Lỗ đen là gì?

Cái tên "lỗ đen" (trong tiếng Anh - lỗ đen) được đề xuất vào năm 1967 bởi nhà vật lý lý thuyết người Mỹ John Archibald Wheeler (xem ảnh bên trái). Nó dùng để chỉ một thiên thể, sức hút của nó mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể tự thoát ra được. Đó là lý do tại sao nó có màu đen vì nó không phát ra ánh sáng.

Quan sát gián tiếp

Đây là lý do cho sự bí ẩn như vậy: vì lỗ đen không phát sáng nên chúng ta không thể nhìn thấy chúng một cách trực tiếp và buộc phải tìm kiếm và nghiên cứu chúng chỉ bằng cách sử dụng bằng chứng gián tiếp cho thấy sự tồn tại của chúng để lại trong không gian xung quanh. Nói cách khác, nếu một lỗ đen nhấn chìm một ngôi sao, chúng ta không thể nhìn thấy lỗ đen đó, nhưng chúng ta có thể quan sát được tác động tàn phá của trường hấp dẫn mạnh mẽ của nó.

Trực giác của Laplace

Mặc dù cụm từ “lỗ đen” để biểu thị giai đoạn cuối cùng giả định trong quá trình tiến hóa của một ngôi sao đã sụp đổ dưới tác dụng của trọng lực là tương đối gần đây, nhưng ý tưởng về khả năng tồn tại của những vật thể như vậy đã nảy sinh hơn hai. nhiều thế kỷ trước. Người Anh John Michell và người Pháp Pierre-Simon de Laplace đã đưa ra giả thuyết độc lập về sự tồn tại của “những ngôi sao vô hình”; đồng thời, chúng dựa trên các định luật động lực thông thường và định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Ngày nay, các lỗ đen đã nhận được mô tả chính xác dựa trên thuyết tương đối rộng của Einstein.

Trong tác phẩm “Exposition of the System of the World” (1796), Laplace viết: “Một ngôi sao sáng có mật độ bằng Trái đất, có đường kính lớn hơn 250 lần đường kính Mặt trời, nhờ lực hấp dẫn của nó sẽ lực hút, ngăn chặn các tia sáng chiếu tới chúng ta. Vì vậy, có thể các thiên thể lớn nhất và sáng nhất đều vô hình vì lý do này.”

Trọng lực bất khả chiến bại

Ý tưởng của Laplace dựa trên khái niệm vận tốc thoát (vận tốc vũ trụ thứ hai). Lỗ đen là một vật thể dày đặc đến mức lực hấp dẫn của nó có thể giữ lại cả ánh sáng, vốn có tốc độ cao nhất trong tự nhiên (gần 300.000 km/s). Trên thực tế, việc thoát khỏi lỗ đen đòi hỏi tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng, nhưng điều này là không thể!

Điều này có nghĩa là một ngôi sao loại này sẽ vô hình vì ngay cả ánh sáng cũng không thể vượt qua được lực hấp dẫn mạnh mẽ của nó. Einstein giải thích hiện tượng này thông qua hiện tượng ánh sáng bị bẻ cong dưới tác dụng của trường hấp dẫn. Trên thực tế, ở gần một lỗ đen, không-thời gian bị cong đến mức quỹ đạo của các tia sáng cũng tự khép lại. Để biến Mặt trời thành lỗ đen, chúng ta sẽ phải tập trung toàn bộ khối lượng của nó vào một quả cầu có bán kính 3 km, còn Trái đất sẽ phải biến thành một quả cầu có bán kính 9 mm!

Các loại lỗ đen

Chỉ khoảng mười năm trước, các quan sát cho thấy sự tồn tại của hai loại lỗ đen: sao, có khối lượng tương đương với khối lượng của Mặt trời hoặc lớn hơn nó một chút, và siêu lớn, có khối lượng dao động từ vài trăm nghìn đến nhiều triệu lần khối lượng Mặt trời. . Tuy nhiên, gần đây, các hình ảnh tia X và quang phổ có độ phân giải cao thu được từ các vệ tinh nhân tạo như Chandra và XMM-Newton đã làm xuất hiện loại lỗ đen thứ ba - với khối lượng trung bình vượt quá khối lượng Mặt trời hàng nghìn lần. .

Lỗ đen sao

Các lỗ đen sao được biết đến sớm hơn những lỗ đen khác. Chúng được hình thành khi một ngôi sao có khối lượng lớn, ở cuối con đường tiến hóa của nó, cạn kiệt nguồn nhiên liệu hạt nhân dự trữ và tự sụp đổ do lực hấp dẫn của chính nó. Một vụ nổ làm rung chuyển một ngôi sao (hiện tượng được gọi là “vụ nổ siêu tân tinh”) gây ra hậu quả thảm khốc: nếu lõi của ngôi sao có khối lượng gấp 10 lần Mặt trời thì không lực hạt nhân nào có thể chống lại sự suy sụp hấp dẫn sẽ dẫn đến sự hình thành của một lỗ đen.

Lỗ đen siêu lớn

Các lỗ đen siêu lớn, lần đầu tiên được ghi nhận trong hạt nhân của một số thiên hà đang hoạt động, có nguồn gốc khác. Có một số giả thuyết liên quan đến sự ra đời của chúng: một lỗ đen sao, trong suốt hàng triệu năm sẽ nuốt chửng tất cả các ngôi sao xung quanh nó; một cụm lỗ đen hợp nhất với nhau; một đám mây khí khổng lồ sụp đổ trực tiếp vào một lỗ đen. Những lỗ đen này là một trong những vật thể giàu năng lượng nhất trong không gian. Chúng nằm ở trung tâm của nhiều thiên hà, nếu không muốn nói là tất cả. Thiên hà của chúng ta cũng có một lỗ đen như vậy. Đôi khi, do có sự hiện diện của một lỗ đen như vậy, lõi của các thiên hà này trở nên rất sáng. Các thiên hà có lỗ đen ở trung tâm, được bao quanh bởi một lượng lớn vật chất rơi và do đó có khả năng tạo ra lượng năng lượng khổng lồ, được gọi là "hoạt động" và lõi của chúng được gọi là "nhân thiên hà hoạt động" (AGN). Ví dụ, quasar (những vật thể vũ trụ ở xa nhất mà chúng ta có thể quan sát được) là những thiên hà đang hoạt động trong đó chúng ta chỉ nhìn thấy một lõi rất sáng.

Trung bình và nhỏ

Một bí ẩn khác vẫn là các lỗ đen có khối lượng trung bình, mà theo nghiên cứu gần đây, có thể nằm ở trung tâm của một số cụm sao cầu, chẳng hạn như M13 và NCC 6388. Nhiều nhà thiên văn học nghi ngờ về những vật thể này, nhưng một số nghiên cứu mới cho thấy sự hiện diện của các lỗ đen này. các lỗ đen có kích thước trung bình thậm chí ở gần trung tâm Thiên hà của chúng ta. Nhà vật lý người Anh Stephen Hawking cũng đưa ra một giả định lý thuyết về sự tồn tại của loại lỗ đen thứ tư - một “lỗ nhỏ” có khối lượng chỉ một tỷ tấn (xấp xỉ bằng khối lượng của một ngọn núi lớn). Chúng ta đang nói về những vật thể sơ cấp, tức là những vật thể xuất hiện vào những thời điểm đầu tiên của sự sống của Vũ trụ, khi áp suất vẫn còn rất cao. Tuy nhiên, vẫn chưa có dấu vết nào về sự tồn tại của chúng được phát hiện.

Làm thế nào để tìm thấy một lỗ đen

Chỉ cách đây vài năm, một ánh sáng đã lóe lên trên các lỗ đen. Nhờ không ngừng cải tiến các thiết bị và công nghệ (cả trên mặt đất và trên không gian), những vật thể này ngày càng trở nên ít bí ẩn hơn; chính xác hơn, không gian xung quanh họ trở nên ít bí ẩn hơn. Trên thực tế, vì bản thân lỗ đen là vô hình nên chúng ta chỉ có thể nhận ra nó nếu nó được bao quanh bởi đủ vật chất (các ngôi sao và khí nóng) quay quanh nó ở một khoảng cách ngắn.

Xem hệ thống nhị phân

Một số lỗ đen sao đã được phát hiện bằng cách quan sát chuyển động quỹ đạo của một ngôi sao xung quanh một ngôi sao đồng hành vô hình trong hệ thống đôi. Các hệ thống nhị phân đóng (nghĩa là bao gồm hai ngôi sao rất gần nhau), trong đó một trong những ngôi sao đồng hành là vô hình, là đối tượng quan sát ưa thích của các nhà vật lý thiên văn đang tìm kiếm lỗ đen.

Dấu hiệu cho thấy sự hiện diện của lỗ đen (hoặc sao neutron) là sự phát xạ tia X mạnh gây ra bởi một cơ chế phức tạp có thể được mô tả dưới dạng sơ đồ như sau. Nhờ lực hấp dẫn mạnh mẽ của nó, lỗ đen có thể xé toạc vật chất ra khỏi ngôi sao đồng hành của nó; khí này lan ra thành một đĩa phẳng và xoắn ốc xuống lỗ đen. Ma sát do va chạm giữa các hạt khí rơi xuống làm nóng các lớp bên trong của đĩa lên tới vài triệu độ, gây ra bức xạ tia X mạnh.

quan sát tia X

Các quan sát tia X đối với các vật thể trong Thiên hà của chúng ta và các thiên hà lân cận, được thực hiện trong nhiều thập kỷ, đã giúp phát hiện các nguồn nhị phân nhỏ gọn, khoảng một chục trong số đó là các hệ thống chứa các ứng cử viên lỗ đen. Vấn đề chính là xác định khối lượng của một thiên thể vô hình. Khối lượng (mặc dù không chính xác lắm) có thể được tìm thấy bằng cách nghiên cứu chuyển động của vật đồng hành hoặc khó khăn hơn nhiều bằng cách đo cường độ bức xạ tia X của vật liệu rơi. Cường độ này có liên quan bởi một phương trình với khối lượng của cơ thể mà chất này rơi vào.

người đoạt giải Nobel

Có thể nói điều tương tự đối với các lỗ đen siêu lớn được quan sát thấy trong lõi của nhiều thiên hà, khối lượng của chúng được ước tính bằng cách đo vận tốc quỹ đạo của khí rơi vào lỗ đen. Trong trường hợp này, do trường hấp dẫn mạnh của một vật thể rất lớn gây ra, tốc độ tăng nhanh của các đám mây khí quay quanh trung tâm thiên hà được phát hiện bằng các quan sát trong phạm vi vô tuyến cũng như trong các tia quang học. Các quan sát trong phạm vi tia X có thể xác nhận sự giải phóng năng lượng tăng lên do vật chất rơi vào lỗ đen. Nghiên cứu về tia X được bắt đầu vào đầu những năm 1960 bởi Riccardo Giacconi người Ý, người làm việc ở Mỹ. Giải Nobel năm 2002 của ông đã công nhận "những đóng góp tiên phong của ông cho vật lý thiên văn dẫn tới việc khám phá ra nguồn tia X trong không gian".

Cygnus X-1: ứng cử viên đầu tiên

Thiên hà của chúng ta không tránh khỏi sự hiện diện của các vật thể có thể là lỗ đen. May mắn thay, không có vật thể nào trong số này đủ gần chúng ta để gây ra mối đe dọa cho sự tồn tại của Trái đất hoặc hệ mặt trời. Bất chấp số lượng lớn các nguồn tia X nhỏ gọn đã được xác định (và đây là những ứng cử viên có khả năng nhất cho lỗ đen), chúng tôi không tin chắc rằng chúng thực sự chứa lỗ đen. Nguồn duy nhất trong số này không có phiên bản thay thế là hệ thống nhị phân gần Cygnus X-1, tức là nguồn bức xạ tia X sáng nhất trong chòm sao Cygnus.

Những ngôi sao khổng lồ

Hệ thống này có chu kỳ quỹ đạo là 5,6 ngày, bao gồm một ngôi sao màu xanh lam rất sáng có kích thước lớn (đường kính của nó gấp 20 lần Mặt trời và khối lượng của nó lớn hơn khoảng 30 lần), có thể dễ dàng nhìn thấy ngay cả trong kính viễn vọng của bạn và một ngôi sao thứ hai vô hình, khối lượng của nó ước tính bằng vài khối lượng mặt trời (lên tới 10). Nằm cách chúng ta 6.500 năm ánh sáng, ngôi sao thứ hai sẽ hoàn toàn có thể nhìn thấy được nếu nó là một ngôi sao bình thường. Khả năng tàng hình của nó, sự phát xạ tia X mạnh mẽ do hệ thống tạo ra và cuối cùng là ước tính khối lượng khiến hầu hết các nhà thiên văn học tin rằng đây là phát hiện đầu tiên được xác nhận về một lỗ đen sao.

Nghi ngờ

Tuy nhiên, cũng có những người hoài nghi. Trong số đó có một trong những nhà nghiên cứu lớn nhất về hố đen, nhà vật lý Stephen Hawking. Ông thậm chí còn đặt cược với đồng nghiệp người Mỹ Keel Thorne, một người ủng hộ nhiệt tình việc phân loại vật thể Cygnus X-1 là một lỗ đen.

Cuộc tranh luận về danh tính của vật thể Cygnus X-1 không phải là ván cược duy nhất của Hawking. Dành chín năm nghiên cứu lý thuyết về lỗ đen, ông bị thuyết phục về sự sai lầm trong những ý tưởng trước đây của ông về những vật thể bí ẩn này. Đặc biệt, Hawking cho rằng vật chất, sau khi rơi vào lỗ đen, sẽ biến mất vĩnh viễn và cùng với nó là tất cả. hành lý thông tin của nó biến mất. Ông chắc chắn về điều này đến mức đã đặt cược vào chủ đề này vào năm 1997 với đồng nghiệp người Mỹ John Preskill.

Thừa nhận sai lầm

Vào ngày 21 tháng 7 năm 2004, trong bài phát biểu tại Đại hội Thuyết tương đối ở Dublin, Hawking thừa nhận rằng Preskill đã đúng. Lỗ đen không dẫn đến sự biến mất hoàn toàn của vật chất. Hơn nữa, họ có một loại “ký ức” nhất định. Chúng có thể chứa dấu vết của những gì chúng đã tiêu thụ. Như vậy, bằng cách “bốc hơi” (tức là phát ra bức xạ từ từ do hiệu ứng lượng tử), chúng có thể trả thông tin này về Vũ trụ của chúng ta.

Lỗ đen trong thiên hà

Các nhà thiên văn học vẫn còn nhiều nghi ngờ về sự hiện diện của các lỗ đen sao (giống như lỗ đen thuộc hệ nhị phân Cygnus X-1) trong Thiên hà của chúng ta; nhưng có ít nghi ngờ hơn về các lỗ đen siêu lớn.

Ở Trung tâm

Thiên hà của chúng ta có ít nhất một lỗ đen siêu lớn. Nguồn của nó, được gọi là Sagittarius A*, được định vị chính xác ở trung tâm mặt phẳng của Dải Ngân hà. Tên của nó được giải thích bởi thực tế rằng nó là nguồn vô tuyến mạnh nhất trong chòm sao Nhân Mã. Theo hướng này, cả trung tâm hình học và vật lý của hệ thiên hà của chúng ta đều được đặt. Nằm cách chúng ta khoảng 26.000 năm ánh sáng, lỗ đen siêu lớn liên quan đến nguồn sóng vô tuyến Sagittarius A* có khối lượng ước tính khoảng 4 triệu khối lượng mặt trời, chứa trong một không gian có thể tích tương đương với thể tích của hệ mặt trời. Khoảng cách tương đối của nó với chúng ta (cho đến nay nó là lỗ đen siêu lớn gần Trái đất nhất) đã khiến vật thể này được đài quan sát không gian Chandra nghiên cứu đặc biệt chặt chẽ trong những năm gần đây. Đặc biệt, hóa ra nó còn là một nguồn bức xạ tia X mạnh (nhưng không mạnh bằng các nguồn trong nhân thiên hà đang hoạt động). Nhân Mã A* có thể là tàn dư không hoạt động của lõi hoạt động của Thiên hà của chúng ta hàng triệu hoặc hàng tỷ năm trước.

Lỗ đen thứ hai?

Tuy nhiên, một số nhà thiên văn học tin rằng có một điều bất ngờ khác trong Thiên hà của chúng ta. Chúng ta đang nói về một lỗ đen thứ hai có khối lượng trung bình, giữ một cụm sao trẻ lại với nhau và ngăn chúng rơi vào một lỗ đen siêu lớn nằm ở chính trung tâm của Thiên hà. Làm thế nào mà ở khoảng cách chưa đầy một năm ánh sáng tính từ nó lại có thể tồn tại một cụm sao gần 10 triệu năm tuổi, tức là theo tiêu chuẩn thiên văn học, là rất trẻ? Theo các nhà nghiên cứu, câu trả lời là cụm sao này không được sinh ra ở đó (môi trường xung quanh lỗ đen trung tâm quá khắc nghiệt đối với sự hình thành sao), mà bị “kéo” đến đó do sự tồn tại của lỗ đen thứ hai bên trong nó. có khối lượng trung bình.

Trên quỹ đạo

Các ngôi sao riêng lẻ trong cụm, bị thu hút bởi lỗ đen siêu lớn, bắt đầu dịch chuyển về phía trung tâm thiên hà. Tuy nhiên, thay vì phân tán vào không gian, chúng vẫn tập trung lại với nhau nhờ lực hấp dẫn của lỗ đen thứ hai nằm ở trung tâm cụm sao. Khối lượng của lỗ đen này có thể được ước tính dựa trên khả năng giữ toàn bộ cụm sao trên một sợi dây buộc. Một lỗ đen cỡ trung bình dường như mất khoảng 100 năm để quay quanh lỗ đen trung tâm. Điều này có nghĩa là những quan sát lâu dài trong nhiều năm sẽ cho phép chúng ta “nhìn thấy” nó.

Để một lỗ đen hình thành, cần phải nén một vật thể đến một mật độ tới hạn nhất định sao cho bán kính của vật thể bị nén bằng bán kính hấp dẫn của nó. Giá trị của mật độ tới hạn này tỷ lệ nghịch với bình phương khối lượng của lỗ đen.

Đối với một lỗ đen khối lượng sao điển hình ( M=10M mặt trời) bán kính hấp dẫn là 30 km, và mật độ tới hạn là 2·10 14 g/cm 3, tức là hai trăm triệu tấn trên một cm khối. Mật độ này rất cao so với mật độ trung bình của Trái đất (5,5 g/cm3), nó bằng với mật độ chất của hạt nhân nguyên tử.

Đối với một lỗ đen ở lõi thiên hà ( M=10 10 M mặt trời) bán kính hấp dẫn là 3·10 15 cm = 200 AU, gấp 5 lần khoảng cách từ Mặt trời đến Sao Diêm Vương (1 đơn vị thiên văn - khoảng cách trung bình từ Trái đất đến Mặt trời - bằng 150 triệu km hay 1,5·10 13cm). Mật độ tới hạn trong trường hợp này bằng 0,2·10 –3 g/cm 3 , nhỏ hơn vài lần so với mật độ không khí, bằng 1,3·10 –3 g/cm 3 (!).

Đối với Trái đất ( M=3·10 –6 M mặt trời), bán kính hấp dẫn gần bằng 9 mm, và mật độ tới hạn tương ứng cao khủng khiếp: ρ cr = 2·10 27 g/cm 3, cao hơn 13 bậc độ lớn so với mật độ của hạt nhân nguyên tử.

Nếu chúng ta dùng một máy ép hình cầu tưởng tượng nào đó và nén Trái đất, duy trì khối lượng của nó, thì khi chúng ta giảm bán kính Trái đất (6370 km) xuống bốn lần, vận tốc thoát thứ hai của nó sẽ tăng gấp đôi và trở thành bằng 22,4 km/s. Nếu chúng ta nén Trái đất sao cho bán kính của nó xấp xỉ 9 mm thì vận tốc vũ trụ thứ hai sẽ có giá trị bằng tốc độ ánh sáng c= 300000 km/s.

Hơn nữa, sẽ không cần đến máy ép - Trái đất, bị nén đến kích thước như vậy, sẽ tự nén lại. Cuối cùng, một lỗ đen sẽ hình thành thay cho Trái đất, bán kính của chân trời sự kiện sẽ gần bằng 9 mm (nếu chúng ta bỏ qua chuyển động quay của lỗ đen thu được). Tất nhiên, trong điều kiện thực tế, không có lực ép siêu mạnh nào - trọng lực “hoạt động”. Đây là lý do tại sao lỗ đen chỉ có thể hình thành khi phần bên trong của những ngôi sao rất lớn sụp đổ, trong đó lực hấp dẫn đủ mạnh để nén vật chất đến mật độ tới hạn.

Sự tiến hóa của các ngôi sao

Lỗ đen hình thành ở giai đoạn cuối của quá trình tiến hóa của các ngôi sao lớn. Ở độ sâu của các ngôi sao thông thường, các phản ứng nhiệt hạch xảy ra, năng lượng khổng lồ được giải phóng và nhiệt độ cao được duy trì (hàng chục, hàng trăm triệu độ). Lực hấp dẫn có xu hướng nén ngôi sao và lực áp suất của khí nóng và bức xạ chống lại sự nén này. Do đó, ngôi sao ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh.

Ngoài ra, một ngôi sao có thể tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt, khi năng lượng giải phóng do phản ứng nhiệt hạch ở tâm của nó đúng bằng năng lượng do ngôi sao phát ra từ bề mặt. Khi ngôi sao co lại và giãn nở, trạng thái cân bằng nhiệt bị phá vỡ. Nếu ngôi sao đứng yên thì trạng thái cân bằng của nó được thiết lập sao cho thế năng âm của ngôi sao (năng lượng nén hấp dẫn) ở giá trị tuyệt đối luôn gấp đôi năng lượng nhiệt. Bởi vì điều này, ngôi sao có một đặc tính đáng kinh ngạc - khả năng tỏa nhiệt âm. Các vật thể thông thường có nhiệt dung dương: một miếng sắt nóng lên, nguội đi, tức là mất năng lượng, nhiệt độ của nó giảm xuống. Đối với một ngôi sao thì điều ngược lại là đúng: nó càng mất nhiều năng lượng dưới dạng bức xạ thì nhiệt độ ở tâm của nó càng cao.

Thoạt nhìn, đặc điểm kỳ lạ này có lời giải thích đơn giản: ngôi sao khi tỏa sáng sẽ từ từ co lại. Trong quá trình nén, thế năng được chuyển thành động năng của các lớp sao rơi xuống và phần bên trong của nó nóng lên. Hơn nữa, năng lượng nhiệt mà ngôi sao thu được do nén lớn gấp đôi năng lượng bị mất dưới dạng bức xạ. Kết quả là nhiệt độ bên trong ngôi sao tăng lên và quá trình tổng hợp nhiệt hạch liên tục của các nguyên tố hóa học xảy ra. Ví dụ, phản ứng chuyển đổi hydro thành heli trong Mặt trời hiện nay xảy ra ở nhiệt độ 15 triệu độ. Khi, sau 4 tỷ năm, ở trung tâm Mặt trời, toàn bộ hydro biến thành heli, để tổng hợp thêm các nguyên tử cacbon từ các nguyên tử heli, sẽ cần nhiệt độ cao hơn đáng kể, khoảng 100 triệu độ (điện tích của hạt nhân heli). gấp đôi so với hạt nhân hydro, và để đưa các hạt nhân lại gần nhau hơn helium ở khoảng cách 10–13 cm cần nhiệt độ cao hơn nhiều). Chính xác là nhiệt độ này sẽ được đảm bảo do nhiệt dung âm của Mặt trời vào thời điểm phản ứng nhiệt hạch chuyển helium thành carbon được đốt cháy ở độ sâu của nó.

sao lùn trắng

Nếu khối lượng của ngôi sao nhỏ thì khối lượng lõi của nó bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi nhiệt hạch nhỏ hơn 1,4 M mặt trời, phản ứng tổng hợp nhiệt hạch của các nguyên tố hóa học có thể chấm dứt do cái gọi là sự thoái hóa của khí electron trong lõi sao. Đặc biệt, áp suất của khí suy biến phụ thuộc vào mật độ, nhưng không phụ thuộc vào nhiệt độ, vì năng lượng chuyển động lượng tử của các electron lớn hơn nhiều so với năng lượng chuyển động nhiệt của chúng.

Áp suất cao của khí điện tử suy biến chống lại lực nén hấp dẫn một cách hiệu quả. Vì áp suất không phụ thuộc vào nhiệt độ nên sự mất năng lượng của một ngôi sao dưới dạng bức xạ không dẫn đến sự nén lõi của nó. Do đó, năng lượng hấp dẫn không được giải phóng dưới dạng nhiệt bổ sung. Do đó, nhiệt độ trong lõi thoái hóa đang tiến hóa không tăng, dẫn đến chuỗi phản ứng nhiệt hạch bị gián đoạn.

Lớp vỏ hydro bên ngoài, không bị ảnh hưởng bởi các phản ứng nhiệt hạch, tách ra khỏi lõi ngôi sao và tạo thành tinh vân hành tinh, phát sáng trong các vạch phát xạ của hydro, heli và các nguyên tố khác. Lõi đặc ở trung tâm và tương đối nóng của một ngôi sao có khối lượng thấp đang tiến hóa là một sao lùn trắng - một vật thể có bán kính cỡ bán kính Trái đất (~10 4 km), khối lượng nhỏ hơn 1,4 M mặt trời và mật độ trung bình khoảng một tấn trên centimet khối. Sao lùn trắng được quan sát thấy với số lượng lớn. Tổng số lượng của chúng trong Thiên hà lên tới 10 10, tức là khoảng 10% tổng khối lượng vật chất có thể quan sát được của Thiên hà.

Sự đốt cháy nhiệt hạch ở một sao lùn trắng thoái hóa có thể không ổn định và dẫn đến vụ nổ hạt nhân của một sao lùn trắng đủ lớn với khối lượng gần với cái gọi là giới hạn Chandrasekhar (1.4 M mặt trời). Những vụ nổ như vậy trông giống như siêu tân tinh loại I, không có vạch hydro trong quang phổ của chúng mà chỉ có các vạch helium, carbon, oxy và các nguyên tố nặng khác.

sao neutron

Nếu lõi của ngôi sao bị thoái hóa thì khi khối lượng của nó đạt đến giới hạn 1,4 M mặt trời, sự suy biến thông thường của khí electron trong hạt nhân được thay thế bằng cái gọi là suy thoái tương đối tính.

Chuyển động lượng tử của các electron suy biến trở nên nhanh đến mức tốc độ của chúng đạt tới tốc độ ánh sáng. Trong trường hợp này, độ đàn hồi của khí giảm, khả năng chống lại lực hấp dẫn của nó giảm và ngôi sao bị suy sụp do hấp dẫn. Trong quá trình sụp đổ, các electron bị proton bắt giữ và quá trình trung hòa hóa chất xảy ra. Điều này dẫn đến sự hình thành sao neutron từ lõi thoái hóa khổng lồ.

Nếu khối lượng ban đầu của lõi sao vượt quá 1,4 M mặt trời, khi đó nhiệt độ cao sẽ đạt được trong lõi và sự thoái hóa electron không xảy ra trong suốt quá trình tiến hóa của nó. Trong trường hợp này, nhiệt dung âm phát huy tác dụng: khi ngôi sao mất năng lượng dưới dạng bức xạ, nhiệt độ ở độ sâu của nó tăng lên và xảy ra một chuỗi phản ứng nhiệt hạch liên tục biến hydro thành heli, heli thành cacbon, cacbon thành oxy và vân vân, cho đến các nguyên tố thuộc nhóm sắt. Phản ứng nhiệt hạch của hạt nhân các nguyên tố nặng hơn sắt không còn xảy ra khi giải phóng mà xảy ra khi hấp thụ năng lượng. Do đó, nếu khối lượng lõi của ngôi sao, bao gồm chủ yếu là các nguyên tố nhóm sắt, vượt quá giới hạn Chandrasekhar là 1,4 M sun , nhưng nhỏ hơn cái gọi là giới hạn Oppenheimer–Volkov ~3 M mặt trời, khi kết thúc quá trình tiến hóa hạt nhân của ngôi sao, sự suy sụp hấp dẫn của lõi xảy ra, do đó lớp vỏ hydro bên ngoài của ngôi sao bị bong ra, được quan sát thấy là vụ nổ siêu tân tinh loại II, trong quang phổ của những dòng hydro mạnh mẽ được quan sát thấy.

Sự sụp đổ của lõi sắt dẫn đến sự hình thành sao neutron.

Khi lõi khổng lồ của một ngôi sao đã đạt đến giai đoạn tiến hóa muộn bị nén lại, nhiệt độ tăng lên đến giá trị khổng lồ cỡ một tỷ độ, khi hạt nhân nguyên tử bắt đầu vỡ ra thành neutron và proton. Proton hấp thụ electron và biến thành neutron, phát ra neutrino. Các neutron, theo nguyên lý cơ học lượng tử Pauli, với lực nén mạnh bắt đầu đẩy nhau một cách hiệu quả.

Khi khối lượng của lõi sụp đổ nhỏ hơn 3 M mặt trời, tốc độ neutron nhỏ hơn đáng kể so với tốc độ ánh sáng và tính đàn hồi của vật chất do lực đẩy hiệu quả của neutron có thể cân bằng lực hấp dẫn và dẫn đến sự hình thành sao neutron ổn định.

Khả năng tồn tại của sao neutron lần đầu tiên được dự đoán vào năm 1932 bởi nhà vật lý lỗi lạc Liên Xô Landau ngay sau khi phát hiện ra neutron trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Bán kính của sao neutron gần 10 km, mật độ trung bình của nó là hàng trăm triệu tấn/cm3.

Khi khối lượng của lõi sao đang sụp đổ lớn hơn 3 M mặt trời, sau đó, theo những ý tưởng hiện có, ngôi sao neutron tạo thành, đang nguội đi, sẽ sụp đổ thành một lỗ đen. Sự sụp đổ của một ngôi sao neutron thành một lỗ đen cũng được tạo điều kiện thuận lợi bởi sự rơi ngược lại của một phần vỏ sao, bị đẩy ra trong một vụ nổ siêu tân tinh.

Một ngôi sao neutron thường quay nhanh vì ngôi sao bình thường sinh ra nó có thể có xung lượng góc đáng kể. Khi lõi của một ngôi sao sụp đổ thành sao neutron, kích thước đặc trưng của sao giảm từ R= 10 5 –10 6 km tới R≈ 10 km. Khi kích thước của một ngôi sao giảm thì mômen quán tính của nó giảm. Để duy trì xung lượng góc, tốc độ quay dọc trục phải tăng mạnh. Ví dụ, nếu Mặt trời quay với chu kỳ khoảng một tháng, bị nén đến kích thước của một sao neutron thì chu kỳ quay sẽ giảm xuống còn 10 -3 giây.

Các sao neutron đơn lẻ có từ trường mạnh biểu hiện dưới dạng xung vô tuyến - nguồn phát ra các xung phát xạ vô tuyến định kỳ nghiêm ngặt phát sinh khi năng lượng quay nhanh của sao neutron được chuyển thành phát xạ vô tuyến có định hướng. Trong các hệ nhị phân, các sao neutron đang tích tụ biểu hiện hiện tượng xung tia X và vụ nổ tia X loại 1.

Người ta không thể mong đợi những xung bức xạ có tính chu kỳ nghiêm ngặt từ một lỗ đen, vì lỗ đen không có bề mặt có thể quan sát được và không có từ trường. Như các nhà vật lý thường nói, lỗ đen không có “tóc” - mọi trường và mọi sự không đồng nhất gần chân trời sự kiện đều được phát ra khi lỗ đen được hình thành từ vật chất co lại dưới dạng một dòng sóng hấp dẫn. Kết quả là lỗ đen thu được chỉ có ba đặc điểm: khối lượng, động lượng góc và điện tích. Tất cả các đặc tính riêng biệt của vật chất đang co lại bị lãng quên trong quá trình hình thành lỗ đen: ví dụ, các lỗ đen hình thành từ sắt và từ nước, những thứ khác đều giống nhau, có những đặc điểm giống nhau.

Theo dự đoán của Thuyết tương đối rộng (GR), các ngôi sao có khối lượng lõi sắt khi kết thúc quá trình tiến hóa của chúng vượt quá 3 mặt trời M, trải qua sự nén không giới hạn (sụp đổ tương đối tính) với sự hình thành của lỗ đen. Điều này được giải thích bởi thực tế là trong thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn có xu hướng nén một ngôi sao được xác định bởi mật độ năng lượng, và ở mật độ khổng lồ của vật chất đạt được trong quá trình nén lõi sao lớn như vậy, đóng góp chính vào mật độ năng lượng. không còn được tạo ra bởi năng lượng nghỉ của các hạt nữa mà bởi năng lượng chuyển động và tương tác của chúng. Hóa ra là trong thuyết tương đối rộng, áp suất của một chất ở mật độ rất cao dường như tự “cân” chính nó: áp suất càng lớn thì mật độ năng lượng càng lớn và do đó lực hấp dẫn có xu hướng nén chất đó càng lớn. Ngoài ra, dưới trường hấp dẫn mạnh, tác động của độ cong không-thời gian về cơ bản trở nên quan trọng, điều này cũng góp phần vào việc nén không giới hạn lõi của ngôi sao và biến nó thành lỗ đen (Hình 3).

Để kết luận, chúng tôi lưu ý rằng các lỗ đen hình thành trong thời đại của chúng ta (ví dụ, lỗ đen trong hệ thống Cygnus X-1), nói đúng ra, không phải là các lỗ đen một trăm phần trăm, vì do sự giãn nở thời gian tương đối tính đối với một người quan sát ở xa, chân trời sự kiện của họ vẫn chưa hình thành. Bề mặt của những ngôi sao đang sụp đổ như vậy đối với người quan sát trên Trái đất dường như bị đóng băng, không ngừng tiến gần đến chân trời sự kiện của chúng.

Để các lỗ đen từ những vật thể đang sụp đổ như vậy cuối cùng hình thành, chúng ta phải đợi trong suốt thời gian dài vô tận kể từ khi Vũ trụ của chúng ta tồn tại. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng ngay trong những giây đầu tiên của sự sụp đổ của thuyết tương đối tính, bề mặt của ngôi sao đang sụp đổ đối với người quan sát từ Trái đất đã tiến đến rất gần chân trời sự kiện và mọi quá trình trên bề mặt này chậm lại vô cùng.

« Khoa học viễn tưởng có thể hữu ích - nó kích thích trí tưởng tượng và làm giảm bớt nỗi sợ hãi về tương lai. Tuy nhiên, sự thật khoa học có thể đáng ngạc nhiên hơn nhiều. Khoa học viễn tưởng thậm chí chưa bao giờ tưởng tượng được sự tồn tại của những thứ như lỗ đen»
Stephen Hawking

Trong sâu thẳm vũ trụ có vô số điều bí ẩn, bí mật được ẩn giấu đối với con người. Một trong số đó là hố đen - vật thể mà ngay cả những bộ óc vĩ đại nhất của nhân loại cũng không thể hiểu được. Hàng trăm nhà vật lý thiên văn đang cố gắng khám phá bản chất của lỗ đen, nhưng ở giai đoạn này, chúng ta thậm chí còn chưa chứng minh được sự tồn tại của chúng trong thực tế.

Các đạo diễn phim đã cống hiến những bộ phim của họ cho họ, và đối với những người bình thường, lỗ đen đã trở thành một hiện tượng sùng bái đến mức chúng được coi là ngày tận thế và cái chết không thể tránh khỏi. Họ bị sợ hãi và căm ghét, nhưng đồng thời họ cũng bị thần tượng và tôn thờ bởi những điều chưa biết mà những mảnh vỡ kỳ lạ của Vũ trụ này ẩn giấu bên trong họ. Đồng ý, bị hố đen nuốt chửng quả là một điều lãng mạn. Với sự giúp đỡ của họ, điều đó là có thể và họ cũng có thể trở thành người hướng dẫn cho chúng ta.

Báo chí màu vàng thường suy đoán về sự phổ biến của các lỗ đen. Tìm những tiêu đề trên các tờ báo liên quan đến ngày tận thế do một vụ va chạm khác với lỗ đen siêu lớn không phải là vấn đề. Tệ hơn nhiều là bộ phận dân chúng mù chữ coi trọng mọi việc và gây ra sự hoảng loạn thực sự. Để hiểu rõ hơn, chúng ta sẽ thực hiện một cuộc hành trình về nguồn gốc của việc phát hiện ra lỗ đen và cố gắng hiểu nó là gì cũng như cách xử lý nó.

Những ngôi sao vô hình

Tình cờ là các nhà vật lý hiện đại mô tả cấu trúc của Vũ trụ của chúng ta bằng lý thuyết tương đối mà Einstein đã cẩn thận cung cấp cho nhân loại vào đầu thế kỷ 20. Các lỗ đen càng trở nên bí ẩn hơn, ở chân trời sự kiện mà tất cả các định luật vật lý mà chúng ta biết đến, bao gồm cả lý thuyết của Einstein, đều không còn được áp dụng. Điều này thật tuyệt vời phải không? Ngoài ra, giả thuyết về sự tồn tại của lỗ đen đã được đưa ra từ rất lâu trước khi Einstein ra đời.

Năm 1783 có sự gia tăng đáng kể trong hoạt động khoa học ở Anh. Vào thời đó, khoa học song hành cùng tôn giáo, chúng rất hòa hợp với nhau và các nhà khoa học không còn bị coi là dị giáo nữa. Hơn nữa, các linh mục đã tham gia vào nghiên cứu khoa học. Một trong những tôi tớ của Chúa là mục sư người Anh John Michell, người không chỉ thắc mắc về những câu hỏi về sự tồn tại mà còn cả những vấn đề hoàn toàn mang tính khoa học. Michell là một nhà khoa học rất có danh hiệu: ban đầu ông là giáo viên toán và ngôn ngữ học cổ đại tại một trong những trường cao đẳng, và sau đó ông được nhận vào Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn vì một số khám phá.

John Michell nghiên cứu địa chấn học, nhưng trong thời gian rảnh rỗi, ông thích nghĩ về sự vĩnh cửu và vũ trụ. Đây là lý do tại sao ông nảy ra ý tưởng rằng ở đâu đó trong độ sâu của Vũ trụ có thể có những vật thể siêu khối lượng với lực hấp dẫn mạnh đến mức để thắng được lực hấp dẫn của vật thể đó thì cần phải di chuyển với tốc độ bằng hoặc cao hơn. hơn tốc độ ánh sáng. Nếu chúng ta chấp nhận lý thuyết như vậy là đúng thì ngay cả ánh sáng cũng không thể phát triển vận tốc vũ trụ thứ hai (tốc độ cần thiết để vượt qua lực hấp dẫn của vật thể rời đi), do đó vật thể như vậy sẽ không thể nhìn thấy được bằng mắt thường.

Michell gọi lý thuyết mới của ông là “sao tối”, đồng thời cố gắng tính khối lượng của những vật thể đó. Ông bày tỏ suy nghĩ của mình về vấn đề này trong một bức thư ngỏ gửi Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn. Thật không may, vào thời đó những nghiên cứu như vậy không có giá trị đặc biệt đối với khoa học, nên lá thư của Michell đã được gửi đến kho lưu trữ. Chỉ hai trăm năm sau, vào nửa sau thế kỷ 20, nó được phát hiện trong số hàng nghìn hồ sơ khác được lưu giữ cẩn thận trong thư viện cổ.

Bằng chứng khoa học đầu tiên về sự tồn tại của lỗ đen

Sau khi Thuyết tương đối rộng của Einstein được xuất bản, các nhà toán học và vật lý học đã bắt đầu nghiêm túc giải các phương trình do nhà khoa học người Đức trình bày, chúng được cho là sẽ cho chúng ta biết nhiều điều mới về cấu trúc của Vũ trụ. Nhà thiên văn học và vật lý học người Đức Karl Schwarzschild đã quyết định làm điều tương tự vào năm 1916.

Nhà khoa học, sử dụng tính toán của mình, đã đi đến kết luận rằng sự tồn tại của lỗ đen là có thể. Ông cũng là người đầu tiên mô tả cái mà sau này gọi là cụm từ lãng mạn "chân trời sự kiện" - ranh giới tưởng tượng của không-thời gian tại một lỗ đen, sau khi vượt qua sẽ không có điểm quay trở lại. Sẽ không có gì thoát khỏi chân trời sự kiện, kể cả ánh sáng. Bên ngoài chân trời sự kiện, cái gọi là “điểm kỳ dị” xảy ra, nơi mà các định luật vật lý mà chúng ta đã biết không còn áp dụng được nữa.

Tiếp tục phát triển lý thuyết và giải các phương trình, Schwarzschild đã khám phá ra những bí mật mới về lỗ đen cho bản thân và thế giới. Do đó, ông chỉ có thể tính toán khoảng cách từ tâm lỗ đen, nơi tập trung khối lượng của nó, đến chân trời sự kiện, chỉ trên giấy. Schwarzschild gọi khoảng cách này là bán kính hấp dẫn.

Mặc dù về mặt toán học, lời giải của Schwarzschild cực kỳ chính xác và không thể bác bỏ, nhưng cộng đồng khoa học đầu thế kỷ 20 vẫn chưa thể chấp nhận ngay một phát hiện gây chấn động như vậy, và sự tồn tại của lỗ đen bị coi là một điều viển vông, xuất hiện mọi thời đại. thỉnh thoảng trong thuyết tương đối. Trong thập kỷ rưỡi tiếp theo, việc khám phá không gian để tìm sự hiện diện của các lỗ đen diễn ra chậm chạp và chỉ có một số người theo lý thuyết của nhà vật lý người Đức tham gia vào việc đó.

Những ngôi sao sinh ra bóng tối

Sau khi các phương trình của Einstein được sắp xếp thành từng phần, đã đến lúc sử dụng những kết luận rút ra để tìm hiểu cấu trúc của Vũ trụ. Đặc biệt, trong lý thuyết tiến hóa của sao. Không có gì bí mật rằng trong thế giới của chúng ta không có gì tồn tại mãi mãi. Ngay cả các ngôi sao cũng có vòng đời riêng, mặc dù dài hơn con người.

Một trong những nhà khoa học đầu tiên thực sự quan tâm đến sự tiến hóa của sao là nhà vật lý thiên văn trẻ tuổi Subramanyan Chandrasekhar, một người gốc Ấn Độ. Năm 1930, ông xuất bản một công trình khoa học mô tả cấu trúc bên trong được cho là của các ngôi sao cũng như vòng đời của chúng.

Ngay từ đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã đoán về một hiện tượng như nén trọng lực (sụp đổ hấp dẫn). Tại một thời điểm nhất định trong cuộc đời của nó, một ngôi sao bắt đầu co lại với tốc độ cực lớn dưới tác động của lực hấp dẫn. Theo quy luật, điều này xảy ra vào thời điểm một ngôi sao chết đi, nhưng trong quá trình suy sụp hấp dẫn, có một số cách để một quả cầu nóng tiếp tục tồn tại.

Cố vấn khoa học của Chandrasekhar, Ralph Fowler, một nhà vật lý lý thuyết được kính trọng vào thời của ông, cho rằng trong quá trình suy sụp hấp dẫn, bất kỳ ngôi sao nào cũng biến thành một ngôi sao nhỏ hơn và nóng hơn - sao lùn trắng. Nhưng hóa ra cậu học trò đã “phá” lý thuyết của thầy, vốn được hầu hết các nhà vật lý chia sẻ vào đầu thế kỷ trước. Theo công trình của một thanh niên Ấn Độ, sự tàn lụi của một ngôi sao phụ thuộc vào khối lượng ban đầu của nó. Ví dụ, chỉ những ngôi sao có khối lượng không vượt quá 1,44 lần khối lượng Mặt trời mới có thể trở thành sao lùn trắng. Con số này được gọi là giới hạn Chandrasekhar. Nếu khối lượng của ngôi sao vượt quá giới hạn này thì nó sẽ chết theo một cách hoàn toàn khác. Trong những điều kiện nhất định, một ngôi sao như vậy tại thời điểm chết có thể tái sinh thành một ngôi sao neutron mới - một bí ẩn khác của Vũ trụ hiện đại. Thuyết tương đối cho chúng ta biết một lựa chọn khác - nén ngôi sao thành các giá trị cực nhỏ, và đây là lúc trò vui bắt đầu.

Năm 1932, một bài báo xuất hiện trên một trong những tạp chí khoa học, trong đó nhà vật lý lỗi lạc đến từ Liên Xô Lev Landau cho rằng trong quá trình sụp đổ, một ngôi sao siêu lớn bị nén thành một điểm có bán kính vô cùng nhỏ và khối lượng vô hạn. Mặc dù thực tế là rất khó tưởng tượng một sự kiện như vậy từ góc nhìn của một người chưa chuẩn bị trước, Landau vẫn không xa sự thật. Nhà vật lý này còn cho rằng, theo thuyết tương đối, lực hấp dẫn tại một điểm như vậy sẽ lớn đến mức bắt đầu làm biến dạng không-thời gian.

Các nhà vật lý thiên văn thích lý thuyết của Landau và họ tiếp tục phát triển nó. Năm 1939, ở Mỹ, nhờ nỗ lực của hai nhà vật lý - Robert Oppenheimer và Hartland Snyder - đã xuất hiện một lý thuyết mô tả chi tiết về một ngôi sao siêu lớn tại thời điểm sụp đổ. Kết quả của sự kiện như vậy là một lỗ đen thực sự đã xuất hiện. Bất chấp sự thuyết phục của các lập luận, các nhà khoa học vẫn tiếp tục phủ nhận khả năng tồn tại của những vật thể như vậy, cũng như sự biến đổi của các ngôi sao thành chúng. Ngay cả Einstein cũng tránh xa ý tưởng này vì tin rằng một ngôi sao không có khả năng thực hiện những biến đổi phi thường như vậy. Các nhà vật lý khác không hề tiết kiệm những tuyên bố của mình, gọi khả năng xảy ra những sự kiện như vậy là lố bịch.
Tuy nhiên, khoa học luôn đạt đến sự thật, bạn chỉ cần chờ một chút. Và thế là nó đã xảy ra.

Những vật thể sáng nhất trong vũ trụ

Thế giới của chúng ta là một tập hợp những nghịch lý. Đôi khi mọi thứ cùng tồn tại trong đó, sự chung sống của nó thách thức mọi logic. Ví dụ, người bình thường sẽ không liên tưởng thuật ngữ “lỗ đen” với cụm từ “cực kỳ sáng”, nhưng một khám phá vào đầu những năm 60 của thế kỷ trước đã cho phép các nhà khoa học coi tuyên bố này là không chính xác.

Với sự trợ giúp của kính thiên văn, các nhà vật lý thiên văn đã có thể khám phá những vật thể chưa được biết đến cho đến nay trên bầu trời đầy sao, chúng hoạt động rất kỳ lạ mặc dù thực tế chúng trông giống như những ngôi sao bình thường. Trong khi nghiên cứu những ngôi sao sáng kỳ lạ này, nhà khoa học người Mỹ Martin Schmidt đã thu hút sự chú ý đến quang phổ của chúng, dữ liệu cho thấy kết quả khác với việc quét các ngôi sao khác. Nói một cách đơn giản, những ngôi sao này không giống những ngôi sao khác mà chúng ta quen thuộc.

Đột nhiên, Schmidt chợt nhận ra và anh nhận thấy sự thay đổi quang phổ trong dải màu đỏ. Hóa ra những vật thể này ở xa chúng ta hơn nhiều so với những ngôi sao mà chúng ta quen quan sát trên bầu trời. Ví dụ, vật thể mà Schmidt quan sát nằm cách hành tinh của chúng ta hai tỷ rưỡi năm ánh sáng, nhưng tỏa sáng rực rỡ như một ngôi sao cách xa vài trăm năm ánh sáng. Hóa ra ánh sáng từ một vật thể như vậy có thể so sánh với độ sáng của toàn bộ thiên hà. Khám phá này là một bước đột phá thực sự trong vật lý thiên văn. Nhà khoa học gọi những vật thể này là “gần sao” hay đơn giản là “chuẩn tinh”.

Martin Schmidt tiếp tục nghiên cứu các vật thể mới và phát hiện ra rằng ánh sáng rực rỡ như vậy chỉ có thể được tạo ra bởi một lý do - sự bồi tụ. Bồi tụ là quá trình hấp thụ vật chất xung quanh bởi một vật thể siêu lớn sử dụng trọng lực. Nhà khoa học đi đến kết luận rằng ở trung tâm của chuẩn tinh có một lỗ đen khổng lồ, lỗ đen này hút vật chất xung quanh nó vào không gian với một lực đáng kinh ngạc. Khi lỗ trống hấp thụ vật chất, các hạt tăng tốc đến tốc độ cực lớn và bắt đầu phát sáng. Một loại mái vòm phát sáng xung quanh lỗ đen được gọi là đĩa bồi tụ. Hình dung của nó đã được thể hiện rõ ràng trong bộ phim Interstellar của Christopher Nolan, bộ phim đã đặt ra nhiều câu hỏi: “làm thế nào một lỗ đen có thể phát sáng?”

Cho đến nay, các nhà khoa học đã tìm thấy hàng nghìn chuẩn tinh trên bầu trời đầy sao. Những vật thể kỳ lạ, cực kỳ sáng này được gọi là đèn hiệu của Vũ trụ. Chúng cho phép chúng ta tưởng tượng cấu trúc của vũ trụ tốt hơn một chút và đến gần hơn với thời điểm mà tất cả bắt đầu.

Mặc dù các nhà vật lý thiên văn đã nhận được bằng chứng gián tiếp trong nhiều năm về sự tồn tại của các vật thể vô hình siêu lớn trong Vũ trụ, nhưng thuật ngữ “lỗ đen” vẫn chưa tồn tại cho đến năm 1967. Để tránh những cái tên phức tạp, nhà vật lý người Mỹ John Archibald Wheeler đề xuất gọi những vật thể như vậy là “lỗ đen”. Tại sao không? Ở một mức độ nào đó chúng có màu đen vì chúng ta không thể nhìn thấy chúng. Ngoài ra, chúng còn hút mọi thứ, bạn có thể rơi vào đó giống như rơi vào một cái hố thật sự. Và theo các định luật vật lý hiện đại, đơn giản là không thể thoát khỏi một nơi như vậy. Tuy nhiên, Stephen Hawking tuyên bố rằng khi du hành qua lỗ đen, bạn có thể đến một Vũ trụ khác, một thế giới khác và đây chính là niềm hy vọng.

Sợ vô cực

Do sự bí ẩn và lãng mạn hóa quá mức của các lỗ đen, những vật thể này đã trở thành một câu chuyện kinh dị thực sự đối với mọi người. Báo chí lá cải thích suy đoán về tình trạng mù chữ của dân chúng, đăng tải những câu chuyện đáng kinh ngạc về việc một lỗ đen khổng lồ đang di chuyển về phía Trái đất của chúng ta, nó sẽ nuốt chửng Hệ Mặt trời trong vài giờ, hoặc đơn giản là phát ra những làn sóng khí độc về phía hành tinh của chúng ta. .

Chủ đề hủy diệt hành tinh với sự trợ giúp của Máy Va chạm Hadron Lớn, được xây dựng ở Châu Âu vào năm 2006 trên lãnh thổ của Hội đồng Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN), đặc biệt phổ biến. Làn sóng hoảng loạn bắt đầu như một trò đùa ngu ngốc của ai đó, nhưng dần lớn lên như một quả cầu tuyết. Ai đó đã bắt đầu tin đồn rằng một lỗ đen có thể hình thành trong máy gia tốc hạt của máy va chạm, nó sẽ nuốt chửng hoàn toàn hành tinh của chúng ta. Tất nhiên, những người phẫn nộ bắt đầu yêu cầu cấm các thí nghiệm tại LHC vì lo sợ hậu quả của sự kiện này. Tòa án Châu Âu bắt đầu nhận được các vụ kiện yêu cầu đóng cửa máy va chạm và các nhà khoa học tạo ra nó sẽ bị trừng phạt ở mức tối đa của pháp luật.

Trên thực tế, các nhà vật lý không phủ nhận rằng khi các hạt va chạm trong Máy Va chạm Hadron Lớn, các vật thể có tính chất tương tự như lỗ đen có thể xuất hiện, nhưng kích thước của chúng chỉ ngang bằng với kích thước của các hạt cơ bản, và những “lỗ” như vậy tồn tại trong một khoảng thời gian như vậy. thời gian ngắn mà chúng tôi thậm chí không thể ghi lại sự xuất hiện của chúng.

Một trong những chuyên gia chính đang cố gắng xua tan làn sóng thiếu hiểu biết trước mặt mọi người là Stephen Hawking, một nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng, hơn nữa, còn được coi là một “bậc thầy” thực sự về lỗ đen. Hawking đã chứng minh rằng các lỗ đen không phải lúc nào cũng hấp thụ ánh sáng xuất hiện trong các đĩa bồi tụ và một phần trong số đó bị phân tán vào không gian. Hiện tượng này được gọi là bức xạ Hawking hay sự bay hơi của lỗ đen. Hawking cũng thiết lập mối quan hệ giữa kích thước của lỗ đen và tốc độ “bốc hơi” của nó - nó càng nhỏ thì thời gian tồn tại càng ít. Điều này có nghĩa là tất cả các đối thủ của Máy Va chạm Hadron Lớn không nên lo lắng: các lỗ đen trong đó sẽ không thể tồn tại dù chỉ một phần triệu giây.

Lý thuyết chưa được chứng minh trong thực tế

Thật không may, công nghệ của con người ở giai đoạn phát triển này không cho phép chúng ta kiểm tra hầu hết các lý thuyết được phát triển bởi các nhà vật lý thiên văn và các nhà khoa học khác. Một mặt, sự tồn tại của các lỗ đen đã được chứng minh khá thuyết phục trên giấy tờ và được suy luận bằng cách sử dụng các công thức trong đó mọi thứ đều phù hợp với từng biến số. Mặt khác, trên thực tế, chúng ta vẫn chưa thể tận mắt nhìn thấy lỗ đen thực sự.

Bất chấp mọi bất đồng, các nhà vật lý cho rằng ở trung tâm mỗi thiên hà có một lỗ đen siêu lớn, nó tập hợp các ngôi sao thành cụm bằng lực hấp dẫn của nó và buộc chúng phải di chuyển quanh Vũ trụ trong một nhóm lớn và thân thiện. Trong thiên hà Milky Way của chúng ta, theo nhiều ước tính khác nhau, có từ 200 đến 400 tỷ ngôi sao. Tất cả những ngôi sao này đang quay quanh một thứ gì đó có khối lượng khổng lồ, thứ mà chúng ta không thể nhìn thấy bằng kính viễn vọng. Rất có thể đó là một lỗ đen. Chúng ta có nên sợ cô ấy không? – Không, ít nhất là không trong vài tỷ năm tới, nhưng chúng ta có thể làm một bộ phim thú vị khác về nó.