Untitled KH&CN nước ngoài 114 Số 1+2 năm 2021 Sự suy sụp của những sao khổng lồ Lỗ đen với khối lượng cực lớn được tập trung vào một thể tích cực nhỏ cho phép độ cong của không thời gian được khép kín[.]
KH&CN nước ngồi Lỗ ĐEN - Thiên thể kỳ bí vũ trụ Nguyễn Đức Phường Đại học Quốc gia Hà Nội Khi công bố Thuyết tương đối rộng vào năm 1915, Albert Eintein sớm nhận rằng, phương trình ơng cho thấy nén lượng vật chất đến kích thước đủ nhỏ lực hấp dẫn trở nên vô lớn, tới mức ánh sáng khơng thể ngồi Đó lỗ đen Mặc dù tiên đoán diện loại thiên thể vậy, ơng khơng tin chúng có tồn vũ trụ Tuy nhiên, hệ nhà khoa học sau khơng ngừng củng cố tính đắn Thuyết tương đối rộng Một đột phá chứng thực tồn lỗ đen Giải Nobel lĩnh vực vật lý trao năm 2020 để tôn vinh khám phá tượng kỳ thú vũ trụ - lỗ đen Sự suy sụp khổng lồ Lỗ đen với khối lượng cực lớn tập trung vào thể tích cực nhỏ cho phép độ cong không - thời gian khép kín lại Khi nén lượng vật chất tới bán kính giới hạn đó, biến thành lỗ đen Không gian xung quanh lỗ đen khơng gian khép kín giới hạn chân trời kiện (event horizon) Thời gian bên chân trời kiện ngừng trôi, tất chúng tạo kỳ dị Đây tính chất kỳ lạ khơng gian thời gian chứa đựng Thuyết tương đối rộng Einstein Thuyết tương đối rộng (General relativity) trở thành tảng quan trọng cho hiểu biết lỗ đen Các nhà khoa học kiểm chứng phần lớn Thuyết tương đối rộng trường hấp dẫn yếu tượng thiên văn Hệ mặt trời, hệ trường hấp dẫn lớn thiên hà, đám thiên hà Trong trường hấp 114 Albert Einstein lỗ đen M87 dẫn mạnh siêu lỗ đen thách thức lớn Vậy vũ trụ, lỗ đen tồn dạng nào? Việc cho lỗ đen biến thể ngơi có khối lượng lớn nhà triết học tự nhiên đồng thời nhà thiên văn người Anh John Michell gợi ý lần vào năm 1783 báo Hội khoa học Hoàng gia Anh [1] Ông cho rằng, số thiên thể có khối lượng lớn có Số 1+2 năm 2021 vận tốc lớn ánh sáng Do đó, ánh sáng phát thiên thể khơng thể ngồi được, chúng bị trường hấp dẫn mạnh kéo ngược trở lại Khơng lâu sau đó, nhà tốn học, thiên văn học người Pháp Pierre-Simon Laplace đưa giả thuyết tương tự, lần ơng sử dụng số tính toán cho thấy liên hệ giá trị khối lượng với bán kính thiên thể Sau nghiên cứu KH&CN nước ngồi phương trình thuyết tương đối vào năm 1910, nhà vật lý học người Đức Karl Schwarzschild nhận thấy rằng, giá trị khối lượng có bán kính tới hạn mà tính chất khơng - thời gian trở nên khác biệt Schwarzschild đưa bán kính Schwarzschild tiếng lỗ đen không quay Cuối cùng, vào năm 1939, nhà vật lý học người Mỹ tên Robert Oppenheimer đưa lời tiên đốn xác nguồn gốc lỗ đen Sau ông cộng đưa khái niệm gọi Giới hạn Tolman-OppenheimerVolkoff phản ánh sụp đổ hấp dẫn vượt qua giới hạn Tiếp theo, ơng cơng bố báo “Về co hấp dẫn liên tục - On Continued Gravitational Contraction” [2] Ơng cho rằng, ngơi có khối lượng lớn, sau chết, tồn khối lượng lõi tập trung thể tích nhỏ Trường hấp dẫn bẻ cong đường truyền tia sáng bén mảng tới ngăn cản khơng cho tia sáng thoát Trong năm tiếp theo, nhiều cơng trình tập trung nghiên cứu chất lỗ đen sinh sau chết ngơi khổng lồ Một hình cầu đen treo lơ lửng không gian, ý tưởng nhiều người đón nhận Những tính chất kỳ dị hình cầu làm cho số người cho kết trí tưởng tượng phóng túng số nhà vật lý thiên văn Nhưng nghiên cứu tiếp sau cho thấy diện lỗ đen vũ trụ hồn tồn Bằng chứng thuyết phục kiện quan sát hệ lỗ đen quay quanh phát sóng hấp dẫn (graviton) Đây đột phá khoa học quan trọng vào tháng 9/2015, ghi nhận trực tiếp nguồn sóng hấp dẫn GW150914 phát từ cặp lỗ đen có khối lượng khoảng 29 36 lần khối lượng Mặt trời, cách Trái đất khoảng 1,3 tỷ năm ánh sáng Những nghiên cứu chi tiết cho thấy hai lỗ đen quay quanh hợp thành lỗ đen lớn có khối lượng khoảng 62 lần khối lượng Mặt trời Các sóng hấp dẫn tiên đốn thuyết tương đối rộng kiểm chứng việc quan sát hệ thống pullsar đơi vũ trụ, điển PSR J07373039 hệ nơtron pullsar PSR B1913+16 Các thiên thể trình quay quanh tạo dao động khơng - thời gian phát sóng hấp dẫn Do phát xạ sóng hấp dẫn nên theo thời gian, pullsar dần lượng Khi bị lượng chúng quay chậm lại, tức chu kỳ quay kéo dài Quan sát biến đổi chu kỳ hệ thống pullsar đơi cung cấp chứng gián tiếp cho việc tồn sóng hấp dẫn Tuy nhiên, với phát triển kỹ thuật quan sát Đài quan sát sóng hấp dẫn LIGO, quan sát trực tiếp sóng hấp dẫn Các nhà khoa học cịn cho rằng, vũ trụ khơng có loại lỗ đen kết co lại khổng lồ chết, mà cịn có hai loại lỗ đen khác lỗ đen thiên hà lỗ đen nguyên thủy Con quái vật tham ăn trung tâm thiên hà Ở trung tâm thiên hà phân bố dày đặc sao, dễ xảy va chạm hợp Lực hấp dẫn kết tụ để cuối hình thành thiên thể có khối lượng lớn gấp hàng triệu lần Mặt trời Các đám co lại để sinh lỗ đen khổng lồ trung tâm thiên hà Giống người, lớn phàm ăn, lỗ đen vậy, khối lượng lớn, chúng phô trương sức mạnh hút vật chất xung quanh Đối với lỗ đen thiên hà, vật chất xung quanh khơng đủ để thỏa mãn lịng tham, chúng “đớp” bên cạnh “nhai” ngấu nghiến cách không thương tiếc Những xấu số rơi hết tốc lực vào lỗ đen bị xé nát trước bị chúng đớp Kết hình thành đĩa khí khổng lồ quay xung quanh lỗ đen Những phần tử khí bị “xay nát”, nhiệt độ lên đến hàng chục nghìn độ nữa, đĩa khí phát sáng giải phóng nguồn lượng khổng lồ Tại trung tâm thiên hà có nhân hoạt động mạnh (active galactic nucleus - AGN) có hữu lỗ đen cỡ lớn Vào năm 1960, nhà thiên văn Allan Sandage Thomas Matthews phát thiên thể lạ có tên 3C 48 Loại thiên thể nhìn qua kính thiên văn giống ngơi bình thường nào, quang phổ lại có khác biệt lớn Đến năm 1963, nhà thiên văn Maarten Schmidt phát đối tượng 3C 273 có đặc điểm giống 3C 48 Nghiên cứu kỹ quang phổ Số 1+2 năm 2021 115 KH&CN nước ngồi Mơ ngơi bị lỗ đen nuốt chửng thiên thể ông phát vạch phổ bị dịch phía đỏ lớn Điều khơng bình thường tạo cú sốc lớn nhà thiên văn Trước đó, Hubble cho biết rằng, độ dịch đỏ tỷ lệ thuận với khoảng cách Dịch đỏ lớn có nghĩa chúng xa vận tốc chúng phải lớn Chẳng hạn 3C 273 phải có vận tốc rời xa cỡ 47.000 km/s Điều có nghĩa quasar cách hàng tỷ năm ánh sáng Chính đặc điểm giống khác nên người ta đặt cho tên “Quasi-stellar” gọi tắt quasar hay chuẩn tinh Quasar thiên thể cách xa lại nhìn giống ngơi bình thường khiến đối tượng trở thành bí ẩn thách thức lớn nhà khoa học Có nhiều lời giải thích, có cách giải thích hợp lý cho quasar biến thể 116 thiên hà Năng lượng quasar lớn gấp hàng chục vạn lần lượng toàn dải Ngân hà phát Điều giải thích cho rằng, trung tâm quasar ẩn chứa lỗ đen khổng lồ có đường kính nhỉnh Hệ mặt trời Tuy sáng xa đến quasar có kích thước nhỏ Sự biến thiên nhanh độ sáng quasar gợi ý kích thước chúng nhỏ nhiều so với thiên hà, lượng mà chúng phát lớn gấp hàng vạn lần thiên hà Đối với quasar, biến thiên nhanh độ sáng xảy tia X Sự biến thiên xảy nửa ngày, có cịn Điều có nghĩa rằng, tia X tạo vùng có đường kính cịn nhỏ quỹ đạo Diêm vương Một số vùng ứng với xạ biến thiên độ sáng xảy dài hơn, vài tháng vài năm Khi kích thước quasar vài tháng ánh sáng vài parsec (pc) Số 1+2 năm 2021 Các vạch phát xạ quang phổ quasar mạnh, chúng phát khí đốt nóng khí hấp thụ xạ tử ngoại tia X nguồn xạ liên tục quasar Các khí bị ion hóa xạ lượng cao, tạo hỗn hợp ion electron Các thành phần hóa học khí đĩa quasar bị ion hóa tạo vạch phổ đặc trưng Sự diện vạch phổ phát xạ rộng hẹp tạo vùng phân biệt vạch rộng hẹp quasar Vùng phát xạ hẹp tạo vạch phát xạ hydro, heli, nitơ, cacbon số nguyên tố khác Mật độ vùng vạch hẹp quasar nhỏ, cỡ nguyên tử/m3 Còn với vùng vạch rộng cỡ 1.000 nguyên tử ion/m3 Vì với mật độ cao cần lượng xạ tử ngoại tia X lượng lớn nên vùng vạch rộng nằm gần tâm quasar vùng vạch hẹp Bởi trung tâm nơi có mật độ cao nơi xạ tử ngoại tia X lượng cao tạo Những hoạt động dội thiên hà hoạt động sản sinh nguồn tia gamma khổng lồ Chính điều tạo hội cho kính thiên văn ghi nhận vụ nổ tia gamma (GRB) cách xa hàng tỷ năm ánh sáng Điển hình vụ nổ từ thiên thể GRB 160625B với cường độ mạnh đến mức nhà khoa học dễ dàng quan sát từ Trái đất thiên thể cách Trái đất tỷ năm ánh sáng Năng lượng mà thiên thể giải phóng vài giây lượng mà Mặt trời giải phóng suốt 10 tỷ năm Các nhà khoa học dự đốn, KH&CN nước ngồi nguồn tia gamma dồi có liên hệ mật thiết với lỗ đen Ngoài loại thiên hà hoạt động Seyfert I, II, quasar số thiên hà khác xếp vào loại hoạt động thiên hà IRAS thiên hà vụ nổ Các thiên hà IRAS phát lượng lớn xạ hồng ngoại với độ sáng gấp 1012 đến 1013 độ sáng Mặt trời, tức gấp 100 đến 1.000 lần so với thiên hà xoắn ốc bình thường Cịn thiên hà vụ nổ thiên hà xoắn ốc Những thiên hà chứa lượng lớn sinh Các xạ tử ngoại từ ngơi trẻ đốt nóng hạt bụi đám mây khí phân bố chủ yếu cánh tay xoắn Đến lượt hạt bụi này, sau bị đốt nóng, chúng phát xạ hồng ngoại Các loại thiên hà hầu hết hậu va chạm thiên hà Một loại lỗ đen khác trái ngược hẳn với lỗ đen thiên hà kích thước, lỗ đen nguyên thủy (Primordial black holes) Loại thiên thể sinh từ giai đoạn sớm vũ trụ Vật chất bị nén ép điều kiện nhiệt độ cao áp suất lớn dẫn đến hình thành lỗ đen ngun thủy với kích thước vơ nhỏ, chí có 10-13 cm, tương đương với kích thước nguyên tử hydro Khối lượng lỗ đen nguyên thủy biến thiên từ 10-5 gam đến 1023 kg, chí lớn Những lỗ đen nguyên thủy có khối lượng nhỏ bay - xạ Hawking Tuy nhiên, lỗ đen nguyên thủy có khối lượng lớn với tốc độ bay chậm ứng cử viên sáng giá vật chất tối Hình ảnh lỗ đen trung tâm thiên hà M87 Bắt lỗ đen nguyên hình Ngày nay, bắt đầu có hình ảnh giếng trọng lực khủng khiếp vũ trụ Các nhà thiên văn sử dụng mạng lưới kính viễn vọng Chân trời kiện (EHT) trải khắp địa cầu để chụp hình ảnh chi tiết siêu lỗ đen nằm trung tâm thiên hà Messier 87 (M87) - lỗ đen M87* Những hình ảnh kết nghiên cứu công bố The Astrophysical Journal Letters ngày 10/4/2019 Sự kiện gây chấn động giới khoa học toàn cầu Những nghiên cứu lỗ đen thực mang đến cảm hứng nhãn quan khoa học giúp có hiểu biết sâu sắc lịch sử hình thành tiến hố vũ trụ Chính vậy, thật xứng đáng nhà khoa học Roger Penrose, Reinhard Genzel Andrea Ghez trao Giải Nobel vật lý năm để tôn vinh khám phá họ tượng kỳ thú vũ trụ - lỗ đen [3] Roger Penrose sử dụng phương pháp toán học để chứng minh lỗ đen hệ trực tiếp Thuyết tương đối rộng Ông bắt đầu ứng dụng số nguyên lý topo vào lỗ đen Tháng 1/1965, Roger Penrose chứng minh rằng, lỗ đen thực hình thành mô tả chúng cách chi tiết Tại trung tâm lỗ đen ẩn chứa điểm kỳ dị mà tất quy luật tự nhiên biết không tồn Trong nghiên cứu mình, ơng xây dựng mơ hình tốn học mơ tả cách lỗ đen hình thành Tuy nhiên, tình lý tưởng với đối xứng hồn hảo Chúng chắn khơng thể xảy giới thực nên thường bị giới nghiên cứu bác bỏ Bài báo mang tính đột phá ơng coi đóng góp quan trọng cho Thuyết tương đối rộng kể từ Einstein cơng bố Trong Roger Penrose người có cơng lớn việc phát triển lý thuyết tốn học củng cố cho Thuyết tương đối rộng tồn lỗ đen vũ trụ Reinhard Genzel Andrea Ghez người tiên phong việc phát triển thiết bị quan sát siêu nhạy để khám phá cấu trúc hoạt động trung tâm dải Ngân hà thiên hà khác Sử dụng kính thiên văn lớn giới, Genzel Ghez phát triển phương pháp để nhìn xuyên qua đám mây bụi khổng lồ, dày đặc gồm khí bụi che chắn tầm nhìn vào trung tâm dải Ngân hà Mở rộng giới hạn công nghệ, họ cải tiến kỹ thuật để bù đắp nhiễu loạn bầu khí Trái đất gây ra, phát triển kỹ Số 1+2 năm 2021 117 KH&CN nước 5/2018 khoảng cách 120 đơn vị thiên văn (AU), gần 1.400 bán kính Schwarzschild từ Sgr A* [5] Điều cho phép họ kiểm tra dịch chuyển đỏ tiên đoán Thuyết tương đối rộng vận tốc tương đối tính, tìm xác nhận bổ sung cho lý thuyết Khu vực Sgr A* chụp Kính thiên văn khơng gian tia X Chandra thuật quan sát hiệu Những nghiên cứu hai nhà khoa học cung cấp cho cộng đồng thiên văn chứng vô giá trị tồn siêu lỗ đen trung tâm dải Ngân hà có tên Sgr A* Sgr A* siêu lỗ đen gần Trái đất nhất, có khối lượng khoảng 4,31±0,38 triệu lần khối lượng Mặt trời, cách Trái đất 7,940±420 pc (khoảng 26.000 năm ánh sáng) [4] Do khoảng khơng gian sao, cụ thể không gian Sgr A* Trái đất chứa nhiều bụi khí dày đặc hấp thụ khuếch tán xạ từ Sgr A* khiến việc quan sát chụp ảnh đặt thách thức vô lớn Ngay từ đầu năm 1990, Reinhard Genzel Andrea Ghez tập trung quan sát nghiên cứu vào vùng bí ẩn trung tâm dải Ngân gọi Sgr A* Quỹ đạo sáng gần dải 118 Ngân hà lập đồ với độ xác ngày cao Các phép đo hai nhóm thống với nhau, hai tìm thấy vật thể nặng, vơ hình, kéo theo mớ hỗn độn sao, khiến chúng lao với tốc độ chóng mặt Nhóm Genzel phát đám mây khí lớn rơi phía lỗ đen Sgr A* Bằng cách quan sát đám mây bị xé nào, nhà thiên văn có nhìn sâu sắc hoạt động lỗ đen Genzel đồng nghiệp theo dõi chuyển động trung tâm dải Ngân hà cho thấy chúng quay quanh vật thể lớn, lỗ đen Tháng 7/2018, ông cộng công bố đối tượng S2 quay quanh quỹ đạo Sgr A* với vận tốc 7.650 km/s 2,55% tốc độ ánh sáng, dẫn đến phương pháp tiếp cận củng điểm vào tháng Số 1+2 năm 2021 Trong đó, cách chụp ảnh trung tâm dải Ngân hà bước sóng hồng ngoại, Ghez đồng nghiệp nhìn xun qua lớp bụi dày đặc Trái đất trung tâm dải Ngân hà để cung cấp hình ảnh chi tiết vùng trung tâm thiên hà Những hình ảnh độ phân giải cao giúp nhà khoa học theo dõi quỹ đạo xung quanh lỗ đen Sgr A* [6] Tháng 10/2012, nhóm Ghez quan sát S0-102 quay quanh Sgr A* Từ thông số quỹ đạo chuyển động S0-102 bà cộng tính tốn khối lượng Sgr A* ? TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]vhttps://www.aps.org/publications/apsnews/200911/physicshistory cfm [2]vhttps://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.56.455 [3]vhttps://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/summary/ [4]vhttps://vjst.vn/vn/tin-tuc/1268/ hinh-anh-lo-den-m87* con-dia-chankhoa-hoc-toan-cau.aspx [5] https://arxiv.org/abs/1006.0064 [6] https://arxiv.org/abs/1912.04910 ... cho rằng, vũ trụ khơng có loại lỗ đen kết co lại ngơi khổng lồ chết, mà cịn có hai loại lỗ đen khác lỗ đen thiên hà lỗ đen nguyên thủy Con quái vật tham ăn trung tâm thiên hà Ở trung tâm thiên hà... loại thiên hà hầu hết hậu va chạm thiên hà Một loại lỗ đen khác trái ngược hẳn với lỗ đen thiên hà kích thước, lỗ đen nguyên thủy (Primordial black holes) Loại thiên thể sinh từ giai đoạn sớm vũ. .. [3]vhttps://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/summary/ [4]vhttps://vjst.vn/vn/tin-tuc/1268/ hinh-anh-lo-den-m87* con-dia-chankhoa-hoc-toan-cau.aspx [5] https://arxiv.org/abs/1006.0064 [6] https://arxiv.org/abs/1912.04910