Sống khỏe

8 cách chúng ta biết rằng lỗ đen thực sự tồn tại

Trong tất cả các khái niệm xa vời trong thiên văn học, lỗ đen có thể là kỳ lạ nhất. Một vùng không gian nơi vật chất bị đóng gói chặt chẽ đến mức không thứ gì, kể cả bản thân ánh sáng, có thể thoát ra ngoài, những con vật khổng lồ đen tối này cũng mang đến một viễn cảnh khá đáng sợ. Với tất cả các quy tắc vật lý bình thường bị phá vỡ bên trong chúng, thật hấp dẫn để loại bỏ các lỗ đen như một thứ khoa học viễn tưởng. Tuy nhiên, có rất nhiều bằng chứng – cả trực tiếp và gián tiếp – rằng chúng thực sự tồn tại trong vũ trụ.

“Dự đoán mạnh mẽ” của Einstein

Lỗ đen được tìm thấy là hệ quả tất yếu của thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. (Tín dụng hình ảnh: Bettmann / Người đóng góp)

Theo lý thuyết, các lỗ đen đã được dự đoán vào năm 1916 bởi Karl Schwarzschild, người đã tìm ra chúng là hệ quả tất yếu của Thuyết tương đối rộng của Einstein . Nói cách khác, nếu lý thuyết của Einstein là đúng – và tất cả các bằng chứng cho thấy chính là – vậy thì các lỗ đen phải tồn tại. Sau đó, chúng được đặt trên nền đất vững chắc hơn bởi Roger Penrose và Stephen Hawking, những người đã chỉ ra rằng bất kỳ vật thể nào sụp đổ xuống một lỗ đen sẽ tạo thành một điểm kỳ dị nơi các định luật vật lý truyền thống bị phá vỡ, theo Đại học Cambridge. Điều này đã được chấp nhận rộng rãi đến mức Penrose đã được trao một phần trong Giải Nobel vật lý năm 2020 “để phát hiện ra rằng sự hình thành lỗ đen là một dự đoán chắc chắn về thuyết tương đối rộng.”

Vụ nổ tia gamma

Gamma ray burst.

Vụ nổ tia gamma gây ra bởi sự ra đời của các lỗ đen đã được được phát hiện bởi thiết bị trên Trái đất. (Tín dụng hình ảnh: NASA / Swift / Cruz deWilde)

Vào những năm 1930, nhà vật lý thiên văn Ấn Độ Subramanian Chandrasekhar đã xem xét điều gì xảy ra với một ngôi sao khi nó đã sử dụng hết nhiên liệu hạt nhân, theo NASA . Kết quả cuối cùng, ông tìm thấy, phụ thuộc vào khối lượng của ngôi sao. Theo NASA, nếu ngôi sao đó thực sự lớn, bằng 20 lần khối lượng mặt trời, thì lõi dày đặc của nó – có thể gấp ba lần khối lượng mặt trời trở lên – sẽ sụp đổ hoàn toàn xuống một lỗ đen, theo NASA. Sự sụp đổ của lõi cuối cùng xảy ra cực kỳ nhanh chóng, chỉ trong vài giây, và nó giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ dưới dạng một gamma- tia nổ . Vụ nổ này có thể bức xạ nhiều năng lượng vào không gian như một ngôi sao bình thường phát ra trong toàn bộ thời gian tồn tại của nó. Và các kính thiên văn trên Trái đất đã phát hiện ra nhiều vụ nổ này, một số trong số đó đến từ các thiên hà cách chúng ta hàng tỷ năm ánh sáng; để chúng ta thực sự có thể nhìn thấy các lỗ đen được sinh ra.

Sóng hấp dẫn

Gravitational waves, neutron stars

Ấn tượng của nghệ sĩ về sóng hấp dẫn. Các lỗ đen quay quanh nhau tạo ra các gợn sóng trong không-thời gian, lan truyền ra bên ngoài dưới dạng sóng hấp dẫn. (Tín dụng hình ảnh: R. Hurt / Caltech-JPL)

Các lỗ đen không phải lúc nào cũng tồn tại biệt lập – đôi khi chúng xảy ra theo từng cặp , quay quanh nhau. Khi chúng xảy ra, tương tác hấp dẫn giữa chúng tạo ra các gợn sóng trong không gian-thời gian , lan truyền ra bên ngoài dưới dạng sóng hấp dẫn – một dự đoán khác về thuyết tương đối của Einstein. Với các đài thiên văn như Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser và Virgo, giờ đây chúng ta có khả năng phát hiện những sóng này, trang web chị em của Live Science Space.com đã báo cáo . Phát hiện đầu tiên, liên quan đến sự hợp nhất của hai lỗ đen, đã được công bố vào năm 2016 và nhiều phát hiện khác đã được thực hiện kể từ đó. Khi độ nhạy của máy dò được cải thiện, các sự kiện tạo sóng khác ngoài sự hợp nhất lỗ đen đang được phát hiện – chẳng hạn như vụ tai nạn giữa lỗ đen và sao neutron, diễn ra ngoài thiên hà của chúng ta ở khoảng cách 650 triệu đến 1,5 tỷ ánh sáng- cách Trái đất nhiều năm, Live Science đưa tin .

Đồng hành vô hình

This artist's impression shows the orbits of the objects in the HR 6819 triple system, which consists of a binary star pair in which one star (orbit in blue) orbits a black hole (orbit in red), as well as another star with a wider orbit (also in blue).

Cái này ấn tượng của nghệ sĩ cho thấy quỹ đạo của các đối tượng trong hệ thống ba nhân HR 6819. (Tín dụng hình ảnh: L. Calçada / ESO)

Các sự kiện năng lượng cao, tồn tại trong thời gian ngắn tạo ra vụ nổ tia gamma và lực hấp dẫn sóng có thể nhìn thấy được ở một nửa vũ trụ có thể quan sát được, nhưng trong phần lớn cuộc đời của chúng, các lỗ đen, về bản chất của chúng, sẽ hầu như không thể phát hiện được. Thực tế là chúng không phát ra bất kỳ ánh sáng hoặc bức xạ nào khác có nghĩa là chúng có thể đang ẩn nấp trong khu vực vũ trụ của chúng ta mà các nhà thiên văn học không hề hay biết. Tuy nhiên, có một cách chắc chắn để phát hiện ra những con quái vật bóng tối, đó là thông qua hiệu ứng hấp dẫn của chúng đối với các ngôi sao khác. Khi quan sát hệ thống nhị phân nhìn bình thường, hoặc cặp sao quay quanh quỹ đạo, được gọi là HR 6819 vào năm 2020, các nhà thiên văn nhận thấy sự kỳ lạ trong chuyển động của hai ngôi sao khả kiến ​​mà chỉ có thể giải thích được nếu có một vật thể thứ ba, hoàn toàn không nhìn thấy được ở đó. Khi họ tính toán khối lượng của nó – ít nhất gấp 4 lần mặt trời – các nhà nghiên cứu biết rằng chỉ còn một khả năng nữa. Nó phải là một lỗ đen – lỗ đen gần nhất chưa được phát hiện ra với Trái đất, chỉ cách chúng ta một nghìn năm ánh sáng bên trong thiên hà của chúng ta, như Live Science đã đưa tin .

Tầm nhìn X-ray

The black hole Cygnus X-1 is pulling material from a massive blue companion star. That

Lỗ đen Cygnus X-1 đang kéo thảm erial từ một ngôi sao đồng hành lớn màu xanh lam. (Tín dụng hình ảnh: NASA / CXC)

Bằng chứng quan sát đầu tiên cho một lỗ đen xuất hiện vào năm 1971 và điều này cũng đến từ một hệ nhị phân hệ thống sao trong thiên hà của chúng ta. Được gọi là Cygnus X-1, hệ thống tạo ra một số tia X sáng nhất của vũ trụ. Những thứ này không phát ra từ chính lỗ đen, hoặc từ ngôi sao đồng hành có thể nhìn thấy của nó – rất lớn, với khối lượng gấp 33 lần mặt trời của chúng ta, theo NASA . Đúng hơn, vật chất liên tục bị tách khỏi ngôi sao khổng lồ và bị kéo vào một đĩa bồi tụ xung quanh lỗ đen, và chính từ đĩa bồi tụ này, NASA cho biết, các tia X được phát ra. Như đã làm với HR 6819, các nhà thiên văn học có thể sử dụng chuyển động của ngôi sao quan sát được để ước tính khối lượng của vật thể không nhìn thấy trong Cygnus X-1. Các tính toán mới nhất đã đặt vật thể tối có khối lượng bằng 21 lần khối lượng Mặt Trời tập trung vào một không gian nhỏ đến mức nó không thể là thứ gì khác ngoài một lỗ đen, Live Science đưa tin .

Lỗ đen siêu lớn

At the center of our galaxy is a supermassive black hole in the region known as Sagittarius A. It has a mass of about 4 million times that of our sun.

Ở trung tâm thiên hà của chúng ta là một lỗ đen siêu lớn trong vùng được gọi là Nhân Mã A . (Tín dụng hình ảnh: ESA – C. Carreau)

Ngoài ra đối với các lỗ đen được tạo ra thông qua sự sụp đổ của các vì sao, bằng chứng cho thấy rằng các lỗ đen siêu lớn, mỗi lỗ hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ lần khối lượng mặt trời, đã ẩn náu trong trung tâm của các thiên hà từ thuở sơ khai trong lịch sử vũ trụ, Khoa học trực tiếp nce đã báo cáo . Trong trường hợp của cái gọi là các thiên hà đang hoạt động, bằng chứng cho những thiên hà nặng ký này là rất ngoạn mục. Theo NASA , các lỗ đen trung tâm trong các thiên hà này được bao quanh bởi các đĩa bồi tụ tạo ra bức xạ cường độ cao ở tất cả các bước sóng ánh sáng . Chúng tôi cũng có bằng chứng cho thấy thiên hà của chúng ta có một lỗ đen ở trung tâm của nó. Đó là bởi vì chúng ta nhìn thấy các ngôi sao trong khu vực đó quay xung quanh rất nhanh – lên đến 8% tốc độ ánh sáng – rằng chúng phải quay quanh một thứ gì đó cực kỳ nhỏ và lớn. Các ước tính hiện tại đặt lỗ đen trung tâm của Dải Ngân hà ở đâu đó khoảng 4 triệu lần khối lượng Mặt trời.

Spaghettification

Một bằng chứng khác cho sự tồn tại của lỗ đen là… sự ra đời của spaghettification. Bạn có thể thắc mắc, là spaghettification là gì? Đó là những gì sẽ xảy ra khi bạn rơi vào một lỗ đen, và nó khá dễ hiểu. Bạn bị kéo ra thành những sợi mảnh bởi lực hút cực mạnh của lỗ đen. May mắn thay, điều đó không có khả năng xảy ra với bạn hoặc bất kỳ ai bạn biết, nhưng có thể đó là số phận của một ngôi sao lang thang quá gần một lỗ đen siêu lớn, Live Science đưa tin . Vào tháng 10 năm 2020, các nhà thiên văn học đã chứng kiến ​​sự cắt nhỏ này – hoặc ít nhất, họ nhìn thấy tia sáng từ một ngôi sao không may mắn khi nó bị xé toạc. May mắn thay, spaghethet không xảy ra ở bất cứ đâu gần Trái đất, mà thay vào đó là ở một thiên hà cách chúng ta 215 triệu năm ánh sáng.

Và cuối cùng – hình ảnh trực tiếp

the first ever direct image of a black hole, with yellow ring surrounding black circle

Hình ảnh trực tiếp đầu tiên về một lỗ đen. (Tín dụng hình ảnh: Sự hợp tác của Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện)

Cho đến nay chúng ta đã có rất nhiều bằng chứng gián tiếp thuyết phục về lỗ đen: các vụ nổ bức xạ hoặc sóng hấp dẫn, hoặc các hiệu ứng động lực học lên các vật thể khác, không thể được tạo ra bởi bất kỳ vật thể nào khác mà khoa học biết đến. Nhưng người khai thác cuối cùng đã đến vào tháng 4 năm 2019, dưới dạng hình ảnh trực tiếp của lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của thiên hà đang hoạt động Messier 87. Bức ảnh tuyệt đẹp này được chụp bởi Kính thiên văn Chân trời Sự kiện – một cái tên hơi gây hiểu nhầm, bởi vì nó bao gồm một mạng lưới kính thiên văn lớn rải rác khắp nơi trên thế giới chứ không phải là một công cụ duy nhất. Theo NASA, càng nhiều kính thiên văn có thể tham gia và chúng được đặt cách nhau càng rộng thì chất lượng hình ảnh cuối cùng càng tốt. Kết quả cho thấy rõ ràng bóng tối của lỗ đen có khối lượng 6,5 tỷ mặt trời so với ánh sáng màu cam của đĩa bồi tụ xung quanh nó, như được Live Science đưa tin .

Ban đầu được xuất bản trên Live Science.

Tham gia Diễn đàn về không gian của chúng tôi để tiếp tục thảo luận về nhiệm vụ mới nhất, bầu trời đêm và hơn thế nữa! Và nếu bạn có một mẹo tin tức, sửa chữa hoặc nhận xét, hãy cho chúng tôi biết tại: community@space.com.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button