Đề tài thiên văn học hố đen

1. Thông tin Học sinh: Họ và tên : Đỗ Thành Trung Ngày sinh : 10/11/2000 Lớp : 9A2 Trường : THCS Nguyễn Du ĐT : 01668997954 Email : doraemon123454321@gmail.com 2. Người hướng dẫn Họ tên : Nguyễn Thị Hoàng Yến Địa chỉ : THCS Nguyễn Du Học hàm học vị : Cử nhân Số ĐT : 0948333245 Email : 3. Người phụ trách: Họ tên : Nguyễn Thu Hương Địa chỉ : THCS Nguyễn Du Chức danh : Hiệu phó nhà trường ĐT : 0902145577 Email : huongntngdu@gmail.com Bài dự thi khoa học kĩ thuật Đề tài: Thiên văn học- Hố đen Trong vũ trụ có những vùng không gian thời gian cực nhỏ mà lực hấp dẫn vô cùng lớn, đến nỗi tất cả mọi thứ một khi đã đi vào nó, kể cả ánh sáng thì sẽ không thể nào thoát ra được. Mặc dù chúng ta không nhìn thấy nó nhưng nó thực sự tồn tại. Đó chính là lỗ đen. Theo lý thuyết, lỗ đen được hình thành từ sự suy sụp của một ngôi sao lớn đang trong thời kì cuối của cuộc đời. Sau khi được hình thành, lỗ đen, nó hút tất cả những gì xung quanh nó. Trong quá trình hút , khối lượng của chúng tăng dần theo thời gian . Ngoài ra, trong quá trình hút, nó sản sinh ra một cái đĩa gia tốc xung quanh nó, 2 cực của lỗ đen xuất hiện những chùm năng lượng phát ra và di chuyển với vận tốc gần bằng vận tóc ánh sáng. Cùng với sự sát nhập hai hay nhiều lỗ den mà xuất hiện những lỗ đen có khối lương từ vài chục triệu đến vài tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Các dự án khảo sát khoa học cho thấy đa phần tại các trung tâm của các thiên hà lớn đều tồn tại ít nhất 1 lỗ đen khổng lồ Theo thuyết tương đối mở rộng thì khối lượng lỗ đen có thể là một giá trị dương bất kỳ, nhưng giá trị điện tích và mô men động lượng thì bị giới hạn bởi khối lượng của nó. Trong đơn vị Planck, tổng giá trị điện tích Q và mô men động lượng toạn phần J thỏa mãn bất đẳng thức sau: Vói M là khối lượng của lỗ đen. Giả sử có 1 lỗ đen có khối lượng bằng 10 8 M với M khối lượng mặt trời thì theo công thức trên, ta có 10 16 M 2 + J 2 <=10 32 M 4 Còn trong vật lý thiên văn, lỗ đen được phân theo khối lượng của chúng mà không kể theo hai tham số kia; ngoài cách phân loại theo tính chất và khối lượng , hay mô men động lượng J, hay điện tích Q. Kích thước 1 lỗ đen như được xác định bằng bán kính của chân trời sự kiện (hay bề mặt hố đen hoặc bán kính Schwarzschild) tỉ lệ với khối lượng M của nó: Với r S là bán kính Schwarzschild. Giả sử có 1 hố đen có khối lượng bằng 10 8 M thì theo công thức trên, ta tính được r S xấp xỉ = 295000000 km Lưu ý rằng giá trị này chỉ đúng cho lỗ đen không quay quanh trục và không có điện tích. Còn đối với lỗ đen tổng quát thì giá trị này không thể lớn gấp 2 lần. Cho đến năm 2013, lỗ đen có khối lượng lớn nhất có khối lượng từng được đo là lỗ đen GRO- J0422+32 có khối lượng xâp xỉ bằng 5 M . Mặc dù đến năm 2008, các nhà khoa học NASA đã phát hiện thiên thể XTE J1650-500 có khối lượng xấp xỉ bằng 3,8 M , nhưng sau khi đo lại thì thấy khối lượng của nó xấp xỉ 5-10 M . Ngoài ra, còn có 1 số hố đen lớn nhất bao gồm: tại thiên hà NGC 1227, cách trái đất 220000000 ly với gia trị 1700000000 M ; hệ 2 lỗ den OJ 287 có khối lượng lần lượt là10 8 vaf17~18x10 9 M , cách trái đất 3.5x10 9 ly, tại trung tâm thiên hà NGC4889 cách trái đất 308x10 9 ly với khói lượng 21x10 9 M (với độ bất định 6~37x10 9 M ) Bề mặt lỗ đen còn được biểu kiến bằng chân trời sự kiện- biên giới trong không gian và thời gian mà khi vượt qua nó thì tất cả vật chất và bức xạ không bao giờ có thể thoát ra được, kể cả ánh sáng. Nhưng khi các hạt vật chất ở rất xa lõ đen thí tử trường hấp dẫn tác động lên nó rất nhỏ, nên các hạt có thể di chuyển theo các hướng bất kỳ. Điêu đó được biểu điễn như sau: Một hạt ở xa bên ngoài lỗ đen có thể chuyển động theo hướng bất kỳ, như minh họa bởi các mũi tên. Nó chỉ bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng. [68] Còn khi đi qua chân trời sự kiện thì được biểu diễn như sau: Bên trong chân trời sự kiện, mọi đường đi của hạt hướng về tâm lỗ đen và hạt không thể thoát ra được. Ta thấy rằng các hạt đều đi vào trong lỗ đen ở hình trên là do không gian ở bên trong lỗ đen bị bẻ cong rất mạnh nên các hạt vật chất và bức xạ đều hướng vào tâm lồ đen và không thể thoát ra được. Còn về hình dạng của chân trời sự kiện thì nó có dạng xấp xỉ hình cầu. Đối với 1 lỗ đen đứng yên và quay quanh trục thì nó có dạng hình phỏng cầu. Đã bao giờ chúng ta từng nghĩ rằng bên trong lõ đen có những cái gì chưa? Như chúng ta đều biết, mọi vật một khi đã đi qua chân trời sự kiện thì không bao giờ có thể thoát ra được, kể cả ánh sáng. Khi đó vật sẽ đi vào vùng kì dị của lỗ đen và bị phá hủy hoàn toàn. Nhưng chúng ta giả sử rằng có 1 nhà du hành vũ trụ dũng cảm lái con tàu của mình lao vào lỗ đen. Lúc đó, anh ta sẽ nhìn thấy những gì? Câu trả lời là khi anh ta nhìn ra ngoài vũ trụ thì thấy các ngôi sao bị lệch khỏi vị trí của chúng. Càng vào sâu, anh ta sẽ thấy các ngôi sao gần nhau hơn và sáng hơn. Đó là do không gian ở trong lỗ đen bị bẻ cong rất mạnh làm cho ánh sánh được truyền ngoài vũ trụ vào trong lỗ đen thì đã bị từ trượng hấp dẫn của lỗ đen bẻ cong. Hơn nữa,là do hiệu ứng dịch chuyển đỏ làm cho các bước sóng phát ra từ các ánh sáng phát ra từ ngôi sao khi bị hút vào lỗ đen bị dịch chuyển về phía ánh sáng xanh nhiều hơn. Khi băng qua chân trời sự kiện, chỉ hết thời gian hữu hạn, con thuyền không tránh khỏi nguy cơ bị phá hủy bởi hiệu ứng thủy chiều cực mành và hòa vào vùng kì dị của lỗ đen. Còn đối với những người ở xa lỗ đen, thông qua hình ảnh của nó thì sẽ thấy con tàu như đang chậm dần khi rơi vào chân trời sự kiện. Lúc này, tín hiệu người nhận được từ con tàu sẽ chuyển từ bước sóng ngắn sang bước sóng dài hơn hay dịch chuyển đỏ hơn. Và dường như phải đợi rất lâu (gần như là vô hạn, vì đồng hồ ở rất xa ỗ đen) đẻ thấy con thuyền đi qua biên giới lỗ đen. Người ở xa nhận được bước sóng ngày càng dài, cho dén khi nào không nhận được tín hiệu đó nữa thì coi như hình ảnh và tín hiệu con tàu đã biến mất. Nhưng trong trường hợp nếu dó là lỗ đen quay quanh trục hay tích điện thì về lý thuyết, nhà du hành vũ trụ có thể thoát khỏi vùng kì dị của lỗ đen.Bằng các miêu tả toán học, các nhà vật lý cho rằng nhà du hành vũ trụ khi đi vào các lỗ đen trên có thể thoát sang 1 không thời gian hoàn toàn khác. Lúc đó, lỗ đen chính là cánh cổng nối hay lỗ sâu đục. Hình ảnh về lỗ sâu đục có thể được miêu tả như sau: Minh họa lỗ sâu đục. Tuy nhiên, xác suất để có được lỗ sâu đục là cực kỳ thấp. Chỉ cần một nhiễu loạn nhỏ trong lỗ đen thì coi như cánh cổng nối sẽ bị phá hủy. Lúc này, nhà du hành vũ trụ lại bị rơi vào trạng thái như trường hợp trên à rơi vào vùng kì dị của lỗ đen và bị phá hủy. Ngoài ra, nếu người du hành vũ trụ đó thay vì đi thẳng vào lỗ đen, anh ta lại đi nhiều vòng quanh lỗ đen thì lúc đó hiệu ứng thời gian do hấp dẫn làm thời gian trôi xung quanh con tàu trôi chậm hơn so với bình thường. Sau khi đã đi dủ nhiều vòng, con tàu trở lại điểm xuất phát của mình. Lúc này, nhà du hành vũ trụ có độ tuổi trẻ hơn so với những người bình thường. Và coi như anh ta đang di dến tương lai của chính mình. Về phương thức nghiên cứu, tôi cũng có thể biết được sự tồn tại của lỗ đen thông qua các yếu tố sau: -Nếu ta thấy có 1 ngôi sao có quỹ đạo quay bất thường so với quỹ đạo bình thường của nó thì có 1 lỗ đen đang ở gần đó. -Thông qua sự đứt quãng khi di chuyển của các ngôi sao và thiên hà, chúng ta cũng có thể nhận ra có 1 lỗ đen ở đó. -Ngoài ra, chúng ta cũng có thể dựa sự hình thành của nó. Nếu ta thấy có 1 vụ nổ siêu tân tinh xảy ra thì sau lúc đó sẽ có 1 lỗ đen hình thành. -Và cuối cùng, chúng ta có thể nhận ra lỗ đen dựa vào rìa ánh sáng Còn về kết quả sơ bộ, dựa vào phân loại tính chất, tôi có thể phân như sau: Không quay (J = 0) Quay (J ≠ 0) Trung hòa (Q = 0) Schwarzschild Kerr Điện tích (Q ≠ 0) Reissner–Nordström Kerr–Newman Còn về khối lượng thì như sau: Lớp Khối lượng Kích thước Lỗ đen siêu khối lượng [59] ~10 6 –10 10 M ~0,001–400 AU Lỗ đen khối lượng trung gian [60] ~10 3 –10 5 M ~10 3 km ≈ R Trái Đất Lỗ đen khối lượng sao [59] ~10–10 2 M ~30 km Lỗ đen siêu nhỏ đến ~M Mặt Trăng up to ~0,1 mm Dựa vào những kiến thức trên, tôi nghĩ chúng ta có thể dùng hố đen để đi du hành thời gian bởi vì do hiệu ứng thời gian hấp dẫn nên thời gian trôi quanh hố đen chậm hơn so với bình thường nhưng với điều kiện không được đi vào vùng ảnh hưởng của nó Nếu không thì bạn sẽ bị hút vào lỗ đen và bị rơi vào trường hợp trên. Nhưng những điều mà tôi đưa ra chỉ là phỏng đoán mà thôi. Còn câu trả lời thực sự thì vẫn đang chờ lời giải đáp của các nhà khoa học. . trường ĐT : 0902145577 Email : huongntngdu@gmail.com Bài dự thi khoa học kĩ thuật Đề tài: Thiên văn học- Hố đen Trong vũ trụ có những vùng không gian thời gian cực nhỏ mà lực hấp dẫn vô cùng. là khối lượng của lỗ đen. Giả sử có 1 lỗ đen có khối lượng bằng 10 8 M với M khối lượng mặt trời thì theo công thức trên, ta có 10 16 M 2 + J 2 <=10 32 M 4 Còn trong vật lý thiên văn, . về khối lượng thì như sau: Lớp Khối lượng Kích thước Lỗ đen siêu khối lượng [59] ~10 6 –10 10 M ~0,001–400 AU Lỗ đen khối lượng trung gian [60] ~10 3 –10 5 M ~10 3 km ≈ R Trái Đất Lỗ đen