TIỂU LUẬN THIÊN VĂN LỖ ĐEN VŨ TRỤ

Phần mở đầuVào đầu nhũng năm sáu mơi của thế kỷ hai mơi, các nhà thiên văn học đã biết những ngôi sao có khối lợng lớn hơn khoảng năm lần khối lợng của mặt trời trở lên đều có thể có lại

Phần mở đầu

Vào đầu nhũng năm sáu mơi của thế kỷ hai mơi, các nhà thiên văn học đã biết những ngôi sao có khối lợng lớn hơn khoảng năm lần khối lợng của mặt trời trở lên

đều có thể có lại và chuyển thành một đối tợng đợc gọi là lỗ đen Từ hai mơi năm trớc

đó áp dụng các phơng trình Einstein của thuyết tơng đối rộng, ngời ta đã khẳng định các đối tợng này sẽ cuộn không-thời gian vào quanh chúng và bằng cách đó khối lợng của chúng sẽ tách rời khỏi vũ trụ Nghĩa là theo các nhà khoa học một ngôi sao đủ nặng và đặc có thể có trờng hấp dẫn mạnh tới mức không cho ánh sáng thoát ra đợc, bất kỳ ấnh sáng nào phát ra từ bề mặt ngôi sao đều bị kéo ngợc trở lại trớc khi nó truyền đi xa, còn những tia sáng đi sát gần phạm vi đối tợng này sẽ uốn cong tới mức mọi phôtôn bắt đầu quay quanh nó với quỹ đạo khép kín và không bao giờ có thể chạy thoát vào vũ trụ Và chừng nào đối tợng cha phát ra ánh sáng thì nó phải đen Năm

1969 nhà khoa học Mỹ tên là Wheeler đã đặt tên cho đối tợng là “lỗ đen”-Black

hole

Khi nghiên cứu lý thuyết về lỗ đen, các nhà khoa học đã khái quát tổng thể:

Lỗ đen vũ trụ là nơi mật độ vật chất vô cùng lớn nên lực hấp dẫn rất lớn Vì vậy các phôton bị lực hấp dãn giữ lại nếu nó xuất hiện, cho nên từ lỗ đen không có bức xạ nào

đi đến trái đất Bất kỳ vật chất nào rơi vào trờng hấp dẫn của lỗ đen đều bị nó giữ chặt lại và không có gì có thể thoát ra đợc

Thế nhng, cách đây không lâu vào tháng 07/2004 nhà khoa học ngời Anh Stephen Hawking, ngời đã đa ra rất nhiều kêt luận về lỗ đen trớc đó, ngời đă hoàn thiện cho chúng ta lý thuyết vê lỗ đen vũ trụ lại có một lời cáo lỗi với toàn thể thế giới khoa học Rằng những nghiên cứu mới nhất của ông cho thấy: lỗ đen không bao giờ

“đóng cửa hoàn toàn” với vũ trụ bên ngoài và khi chúng toả nhiệt nhiều hơn thì lỗ đen

sẽ hé lộ dần những thông tin bên trong nó Một lỗ đen có lối vào thì cũng sẽ có lối ra Nghĩa là bất cứ vật chất nào bị hút vào lỗ đen đều không thể biến mất nh trớc đây từng nghĩ mà sẽ chuyển hoá thành một dạng vật chất mới có những đặc tính riêng của nó

Nh vậy là những thành công trớc đó khi nghiên cứu về lỗ đen sẽ bị phủ nhận Và vì thế hiện nay vấn đề lỗ đen có nhả vật chất hay không đang là vần đề gây nhiều tranh cãi trong nền khoa học thiên văn thế giới

Trong khi mọi ngời đang bàn luận về vấn đề lỗ đen vũ trụ , chúng ta sẽ bắt đầu

từ những nghiên cứu trớc đây đã đợc các nhà khoa học chấp nhận

Lỗ đen là gì? Nó đợc tạo thành nh thế nào? Làm sao để phát hiện và quan sát lỗ

đen? Vai trò, ảnh hởng của lỗ đen?

Phần nội dung: lỗ đen

I Lỗ đen đợc hình thành nh thế nào?

Chúng ta biết vòng đời của một ngôi sao bắt đầu khi một lợng lớn khí mà phần nhiều là Hiđro bắt đầu co lại do lực hấp dẫn của chính mình, mật độ vật chất tăng lên, các nguyên tử va chạm với nhau thờng xuyên hơn, vận tốc càng tăng dẫn tới khối khí nóng dần lên Nhiệt độ tăng dần cao tới mức đủ để xảy ra phản ứng nhiệt hạch (giống nh trong nhà máy điện nguyên tử ), các nguyên tử Hiđro sẽ tự kết hợp với nhau

để tạo thành nguyên tử Helli Phản ứng này lại sinh ra nhiệt lợng làm nhiệt độ cao dần lên tới mức làm ngôi sao phát sáng, và làm tăng áp suất khối khí cho đến khi đủ để cân bằng với lực hấp dẫn, khối khí sẽ ngừng co lại Nhiệm vụ của chúng khi đó là phát sáng Sau một thời gian ổn định lâu dài các ngôi sao sẽ dùng hết khí Hiđrô và các nhiên liệu hạt nhân của nó, nó sẽ lạnh đi và co lại Ngôi sao sẽ co lại đến đâu? Câu trả lời là nó sẽ co lại đến bán kính hấp dẫn của nó

Theo định luật vạn vật hầp dẫn, lực hấp dẫn giữa hai vật tỉ lệ nghịch với bình

ph-ơng khoảng cách giữa chúng Nh vậy là khi mà khoảng cách giảm tới không thì lực hấp dẫn sẽ lớn đến vô cùng

Theo thuyết tơng đối, lực hấp dẫn của vật có khối lợng M lên một vật khác sẽ tăng đến vô cùng không phải khi khoảng cách giảm tới không mà khi tới một giá trị

nhất định 2 2

c

GM

R g = Mặt cầu bán kính Rg bao xung quanh vật M đợc gọi là mặt cầu hấp dẫn còn Rg đợc gọi là bán kính hấp dẫn của vật M

• Chúng ta xét một ngôi sao khối lợng M co đến bán kính bằng bán kính cầu hấp dẫn của nó khối lợng riêng trung bình của nó sẽ là 3

2 16

10 2

cm

g M

Mo













=

Giả sử mặt trời co tới bán kính cầu hấp dẫn của nó Rg=2,96km thì ρ=2.1016 g/cm3, rất lớn so với khối lợng riêng hạt nhân nguyên tử ρ=1014g/cm3 vật chất ở trạng thái nh vậy là không thực Thế nhng với những ngôi sao có khối lợng lớn hơn nhiều so với khối lợng mặt trời thì khối lợng riêng của nó khi co lại sẽ bé hơn khối lợng riêng của hạt nhân Ta có thể giả thiết trong một số điều kiện nhất định sao có thể

co đến kích thớc bằng bán kính cằu hấp dẫn của nó Và khi ngôi sao co đến kích thớc bằng bán kính cầu hấp dẫn, trờng hấp dẫn ở bề mặt của nó trở nên mạnh tới mức không có gì có thể thoát ra khỏi nó Trờng hấp dẫn của ngôi sao này sẽ làm thay đổi đ-ờng truyền của tia sáng trong không- thời gian so với đđ-ờng truyền của tia sáng khi không có mặt ngôi sao

Theo thuyết tơng đối của Einstein vận tốc ánh sang là lớn nhất, không có vận tốc nào lớn hơn vận tốc ánh sáng, dẫn đến một hệ quả là quanh ngôi sao đó không chỉ

có sự biến đổi về đặc tính không gian mà còn ảnh hởng cả nhịp độ thời gian Chúng ta biết rằng ở trong thuyết tơng đối không có khái niệm thời gian tuyệt đối, đo thời gian xảy ra một sự kiện ở hai nơi khác nhau sẽ khác nhau

Ta có ∆t là khoảng thời gian giữa hai sự kiện xảy ra trên một thiên thể khối lợng

M bán kính r Còn ∆t’ là khoảng cách thời gian xảy ra hai sự kiện đó nhng đợc đo tại một nơi khác cách xa thiên thể Từ hệ quả của phép biến đổi Lorenzt ta đợc:

2

2

1

'

c

v

t

t

−

∆

=

∆

Vận tốc tối thiểu để một vật m thoát ra khỏi vật M là

r

GM

Từ đó suy ra

r R t rc

GM

t t

g

−

∆

=

−

∆

=

∆

1

2 1 '

2

Khi r rất lớn so với Rg thì ∆t’=∆t

Nhng khi r tiến tới Rg thì ∆t’ sẽ lớn vô cùng

Nh vậy là khi thiên thể có bán kính co rút tới gần trị số bán kính hấp dẫn của nó thì toạ độ thơì gian vô cùng lớn Thời gian sẽ kéo dài mãi mãi

Đối với một ngôi sao bình thờng phát ra bớc sóng λ0=cT0 (T0 là chu kỳ sóng), nếu có bán kính r= Rg thì chu kỳ T0 tiến đến vô cùng Nghĩa là bớc sóng là vô cùng, tức là sẽ không có sóng điện từ nào đợc phát ra

Một khi ánh sáng không thoát ra thí không có gì có thể thoát ra đợc, tất cả đều

bị trờng hấp dẫn của ngôi sao giữ lại Ta sẽ có một tập các sự cố tức là một vùng trong không thời gian mà không có gì có thể thoất ra khỏi nó, vùng mà chúng ta nói đến đó chính là lỗ đen

Khi lỗ đen hình thành, xung quanh nó xuất hiện một mặt giới hạn - đờng chân trời- ngăn cách giữa phần còn lại của vũ trụ và vùng không gian trong đó không - thời gian biến dạng mạnh đến mức không có gì có thể thoát ra đợc

Ngoài những lỗ đen đợc hình thành do sự tự co lại của các ngôi sao có khối lợng lớn hơn rất nhiều khối lợng của mặt trời, vẫn còn một khả năng khác đợc xem xét là có

sự tồn tại của những lỗ đenvới khối lợng rất nhỏ so với khối lợng mặt trời Những lỗ

đen nh thế không thể hình thành bởi sự co lại hấp dẫn bởi vì khối lợng của chúng rất thấp Các sao có khối lợng thấp có thể tự nó chống chọi với lực hấp dẫn, thậm chí cả khi chúng hết sạch nguyên liệu hạt nhân Do vậy những lỗ đen có khối lợng thấp chỉ

có thể đợc hình thành khi vật chất của nó đợc nén với mật độ cực lớn bởi một áp lực rất cao từ bên ngoài Khả năng khách quan nhất là những lỗ đen này đợc hình thành dới nhiệt độ và áp suất rất cao ở giai đoạn đầu của vũ trụ Đó là những “lỗ đen nguyên thuỷ”

Lý thuyết đã cho ta thấy cái gọi là sự tồn tại của lỗ đen Thế còn thực nghiệm thì sao, làm thế nào để phát hiện và quan sát lỗ đen?

II Sự phát hiện và quan sát lỗ đen:

Lỗ đen ,vùng của không-thời gian từ đó không có gì có thể thoát ra đợc mạnh Làm sao có thể quan sát đợc lỗ đen khi mà không có sóng điện từ nào phát ra? Thực

tế lỗ đen không phát ra thứ gì nhng nó vẫn tác dụng lực hấp dẫn lên các vật xung quanh Do vậy chúng ta có thể quan sát lỗ đen nếu nó là thanh viên của một sao đôi

Khi quan sát thấy một ngôi sao chuyển động quanh một vật thể không nhìn thấy Vật thể ấy có thể là một sao lùn trắng rất già, một sao nơtron đã chết hoặc một lỗ đen Nhng nếu vật thể không nhìn thấy đó có khối lợng lớn hơn 5 lần khối lợng mặt trời thì

nó chỉ có thể là một lỗ đen

Trong trờng lực mãnh liệt của lỗ đen vật chất của sao vệ tinh bị cuốn hút chuyển

động dọc theo quỹ đạo xoắn ốc, bị nung nóng lên đến nhiệt độ hàng chục triệu độ và trở thành một nguồn bức xạ tia Rơghen cực mạnh Chúng ta có thể quan sát lỗ đen nhờ bức xạ Rơghen này, khi đặt máy thu tia X trên các trạm vũ trụ

Những nghiên cứu cho thấy bằng cách này các nhà khoa học đã có nhiều bằng chứng xác nhân có sự tồn tại của lỗ đen trong vũ trụ Có hàng trăm lỗ đen trong thiên

hà chúng ta

Dẫn chứng tiêu biểu nhất là hệ thống Cygnus, một chòm sao trong thiên hà của chúng ta có một nguồn phát tia X rất mạnh đợc gọi là Cyg X-1 (vào năm 1971) Giải thích về nguồn phát tia X này là vì vật chất bị cuốn ra khỏi bề mặt của sao nhin thấy và rơi về phía vật thể đồng hành không nhìn thấy, nó phát triển thành chuyển động hình xoắn ốc, trở nên rất nóng và phát ra tia X Muốn cho cơ chế này hoạt động, vật thể

đồng hành không nhìn thấy phải rất nhỏ, giống nh sao lùn trắng, sao nơtrôn hoặc lỗ

đen Những tính toán cho thấy vật thể không nhìn thấy đó có khối lợng cỡ gấp 6 lần khối lợng mặt trời và chắc chắn nó là một lỗ đen

Những công trình nghiên cứu gần đây cũng đã đa ra một số bằng chứng về một số

lỗ đen khác trong hệ thống giống nh hệ thống Cygnus trong thiên hà của chúng ta và thiên hà lân cận có tên là Magellanic Clouls

Thông báo ngày 19/07/2001 của các nhà khoa học Mỹ cũng cho biết, có thể có một lỗ đen với khối lợng trung bình đang ẩn náu ở thiên hà M33, thiên hà M33 – Thiên hà “hàng xóm” chúng ta Nằm cách trái đất 3 triệu năm ánh sáng

Một thông tin nữa là gần đây các nhà khoa học của trờng đại học Stanfordroge (Romani) quan sát đợc một lỗ đen nầm ỏ trung tâm dải Ngân Hà, lỗ đen có tên Q0906+6930 Trọng lợng của nó bằng trọng lợng tất cả các vì sao trong dải ngân hà Tuổi thọ của nó đợc hình thành chỉ một tỉ năm sau khi vũ trụ hình thành và là một lỗ

đen lớn tuổi nhất mà loài ngời tìm thấy đợc

Ngày 16/04/2004 Một trạm vũ trụ tự động của Châu Âu và Mỹ đã phát hiện ra

một lỗ đen đang xé xác một ngôi sao nhờ các bức xạ hãm có tia X phát ra

Ngoài việc phát hiện ra sự tồn tại của lỗ đen nhờ bức xạ X phát ra khi lỗ đen xé xác một ngôi sao, còn có một phơng pháp nữa là dùng hiện tợng thấu kính hấp dẫn để phát hiện và quan sát hốc đen trong vũ trụ

Thấu kính hấp dẫn là gì?

Hai năm, sau ngày thuyết tơng đối rộng Einstein ra đời, ngày 28/05/1919 tại Chilê xảy ra hiện tợng nhật thực toàn phần Hai đoàn các nhà khoa học đợc cử đến từ Châu

âu đã quan sát một hiệm tợng

Khi cha có nhật thực toàn phần một số ngôi sao trên bầu trời có toạ độ αi , δi

Nh-ng khi xảy ra hiện tợNh-ng nhật thực toàn phần, quan sát các toạ độ nhữNh-ng Nh-ngôi sao này lại thay đổi là αi’ , δi’ Sở dĩ nh vậy là do có một vật thể có sức hút mạnh tới mức bẻ cong ánh sáng từ các ngôi sao phát ra trên đờng truyền đi gần tới vật thể Vật thể mà

Lỗ đen

Tia X

Sao nhìn thấy

có thể bẻ cong ánh sáng đó gọi là thấu kính hấp dẫn.Thấu kính hấp dẫn có thể là một

lỗ đen, có thể là một thiên hà, một sao nơtron Và để biết đợc liệu nó có phải là một lỗ

đen hay không lại cần phải có những kiểm chứng khoa học

III.

Vai trò, ảnh hởng của lỗ đen:

Nh vậy là việc lỗ đen tồn tại trong vũ trụ là không còn nghi ngờ gì nữa Nhng việc phất hiện ra lỗ đen đóng vai trò gì trong nghiên cứu thiên văn và trong vật lý học?

Các nhà khoa học cho biết trong thiên hà của chúng ta có rất nhiều lỗ đen Lực hấp dẫn cộng thêm những lỗ đen có thể giải thích đợc tại sao thiên hà của chúng ta lại quay với tốc độ nh hiện có Bởi vì thực tế khối lợng của các sao không đủ để cho thiên

hà quay Chúng ta đã có một số bằng chứng cho thấy có một lỗ đen rất lớn nằm ở tâm thiên hà của chúng ta với khối lợng lớn hơn khối lợng mặt trời hàng trăm triệu lần Các ngôi sao đi tới gần lỗ đen bị xé tan do sự khác biệt về hấp dẫn giữa phía gần và phía xa nó Điều đó giúp ta giải thích rõ một phần tại sao thiên hà của chúng ta lại có cấu trúc xoắn ốc và quanh quanh tâm của nó

Năm 1976 Stephen Hawking đã phỏng đoán rằng sau khi hình thành, một lỗ đen

sẽ mất dần khối lợng do các quá trình bức xạ năng lợng của nó Bức xạ đó đợc gọi là

“bức xạ Hawking”, nó không chứa thông tin vật chất bên trong lỗ đen

Sự tồn tại bức xạ phát ra từ lỗ đen cho thấy rằng sự co lại do hấp dẫn cha phải

là chấm hết và không thể đảo ngợc lại thời gian nh chúng ta đã nghĩ Nếu chúng ta rơi vào một lỗ đen thì khối lợng của chúng sẽ tăng nhng cuối cùng năng lợng tơng đơng

S

S 1

S 2

Thấu kính hấp dẫn

với khối lợng đó sẽ đợc trả lại vũ trụ dới dạng bức xạ Và cấu tạo các hạt vật chất tạo nên chúng ta sẽ khác với những hạt vật chất cuối cùng còn lại ở lỗ đen

Nh vậy là đặc điểm chung còn lại đó là khối lợng và năng lợng Stephen Hawking cho rằng đến cuối đời lỗ đen tức là khi mà lỗ đen bức xạ gần hết năng lợng và trở nên cực nhỏ, lỗ đen sẽ biến mất mang theo toàn bộ thông tin vật chất bên trong nó ra khỏi vũ trụ của chúng ta Song điều này sẽ mâu thuẫn với các định luật vật lý lợng tử theo đó thông tin trong lỗ đen không bao giờ biến mất hoàn toàn Để giải thích điều này ông cho rằng trờng hấp dẫn cực mạnh của các lỗ đen đã vô hiệu hoá các định luật vật lý l-ợng tử

Nếu nh có sự tồn tại của những lỗ đen nguyên thuỷ, nó sẽ cho chúng ta những thông tin quan trọng về giai đoạn đầu rất sớm của vũ trụ Nếu vũ trụ ở giai đoạn đầu rất sớm là hỗn loạn và bất thờng hoặc nếu áp suất vật chất là thấp thì có thể nghĩ rằng

nó đã tạo ra nhiều lỗ đen nguyên thuỷ hơn là giới hạn xác lập từ việc quan sát bức xạ Hawking Những lỗ đen nguyên thuỷ với khối lợng ban đầu cỡ hàng triệu tấn sẽ có thời gian sống xấp xỉ tuôỉ của vũ trụ Nếu phát hiện ra nó thì việc nghiên cứu vũ trụ sẽ càng thêm ý nghĩa

Phần kết luận

Chúng ta đang sống trong một thế giới làm chúng ta phải trầm t suy nghĩ Chúng ta muốn gán cho mọi vật xung quanh một ý nghĩa nào đó và đặt ra hàng vạn câu hỏi Bản chất của vũ trụ là gì? Loài ngời đóng vai trò nh thế nào trong vũ trụ? Tại sao lại có sự tồn tại của vũ trụ? Để trả lời những câu hỏi đó tr… ớc hết chúng ta phải hoàn thiện đợc bức tranh toàn cảnh về vũ trụ Trong bức tranh đó sự tồn tại của cái đợc gọi là lỗ đen không còn nghi ngờ gì nữa lúc này “lỗ đen” đang là một vấn đề gây tranh cãi trong thế giới khoa học

Liệu lỗ đen có làm cho một vật thể biến mất trong đó nh chung ta đã nghĩ hay không khi mà ai cũng biết vật chất chỉ có thể chuyển hoá tứ dạng này sang dạng khác

mà không thể bị mất đi hoàn toàn Hay nó sẽ giống nh giả thuyết mới đợc đa ra từ Stephen Hawking Lỗ đen không bao giờ “đóng của hoàn toàn” với vũ trụ bên ngoài,

và nó sẽ hé lộ dần những thông tin về vật chất bên trong nó, một lỗ đen có lối vào thì cũng sẽ có lối ra?

Nhng cho dù nh thế nào việc phát hiện ra sự tồn tại của lỗ đen trong vũ trụ vẫn khẳng định tính đúng đắn của thuýêt tơng đối Einstein và nó khẳng định tính đúng đắn của các công trình nghiên cứu lý thuyết Nó khiến các nhà khoa học trên thế giới phải dày công suy nghĩ và tốn nhiều bút mực, thúc đẩy nền khoa thiên văn phát triển mạnh

mẽ hơn Nh vậy chúng ta thấy lỗ đen đóng vai trò rất to lớn giúp chúng ta giải thích rõ hơn những hiện tợng trong vũ trụ, giúp hoàn thiện hơn về bức tranh toàn cảnh vũ trụ của chúng ta