Hố đen: nơi hình học của không gian sụp đổ

Hố đen thường bị mô tả như một cái máy hút vũ trụ. Cách hiểu đó sai. Nếu thay Mặt Trời bằng một hố đen cùng khối lượng, quỹ đạo Trái Đất sẽ không đổi — chỉ là trời tối đi.

Điều đặc biệt của hố đen không nằm ở lực hút mà ở hình học: khối lượng bị nén vào một thể tích đủ nhỏ khiến độ cong không–thời gian vượt ngưỡng, và từ trong ranh giới đó, mọi đường đi khả dĩ của ánh sáng đều dẫn vào trong.

Chân trời sự kiện

Ranh giới ấy gọi là chân trời sự kiện. Bán kính của nó — bán kính Schwarzschild — tỉ lệ thuận với khối lượng:

• Một hố đen khối lượng Mặt Trời: bán kính ~3 km
• Một hố đen khối lượng Trái Đất: bán kính ~9 mm
• Sagittarius A* ở tâm Ngân Hà (4,3 triệu khối lượng Mặt Trời): ~12,7 triệu km

Chân trời sự kiện không phải một bề mặt vật chất. Một người rơi qua nó sẽ không cảm nhận điều gì đặc biệt tại thời điểm vượt qua — nhưng từ đó trở đi, không tín hiệu nào của họ có thể quay ra.

Ba loại

Hố đen sao (5–100 khối lượng Mặt Trời) hình thành khi lõi một ngôi sao nặng sụp đổ sau siêu tân tinh.

Hố đen siêu khối lượng (hàng triệu tới hàng tỉ khối lượng Mặt Trời) nằm ở tâm hầu hết các thiên hà lớn. Cơ chế hình thành vẫn là câu hỏi mở.

Hố đen khối lượng trung gian (100–100.000 khối lượng Mặt Trời) từ lâu chỉ là giả thuyết, đến nay đã có vài ứng viên được xác nhận qua sóng hấp dẫn.

Cách chúng ta "nhìn thấy"

Bản thân hố đen không phát sáng. Ta quan sát chúng gián tiếp:

1. Chuyển động của sao xung quanh. Việc theo dõi quỹ đạo các ngôi sao quanh tâm Ngân Hà trong nhiều thập niên đã mang lại giải Nobel Vật lý 2020.
2. Đĩa bồi tụ. Vật chất rơi vào bị nén và nóng lên tới hàng triệu độ, phát tia X rực rỡ.
3. Sóng hấp dẫn. LIGO ghi nhận vụ sáp nhập hai hố đen lần đầu năm 2015 — xác nhận trực tiếp một dự đoán của Einstein từ 1916.
4. Chụp ảnh trực tiếp. Năm 2019, Event Horizon Telescope công bố ảnh bóng hố đen ở thiên hà M87, và năm 2022 là Sagittarius A*.

Bức xạ Hawking

Năm 1974, Stephen Hawking chỉ ra rằng hiệu ứng lượng tử gần chân trời sự kiện khiến hố đen phát ra bức xạ nhiệt rất yếu và bốc hơi cực chậm. Với một hố đen khối lượng sao, thời gian bốc hơi hoàn toàn dài hơn tuổi vũ trụ hiện tại nhiều bậc — nên đây vẫn là tiên đoán lý thuyết chưa quan sát được.

Hố đen là nơi thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử buộc phải gặp nhau, và cũng là nơi chúng mâu thuẫn rõ nhất.

Đọc thêm

• Ngôi sao: cấu tạo và vòng đời