TIỂU LUẬN THIÊN VĂN LỖ ĐEN VŨ TRỤ

Tiểu luận thiên văn Phần mở đầu Vào đầu nhũng năm sáu mơi kỷ hai mơi, nhà thiên văn học biết có khối lợng lớn khoảng năm lần khối lợng mặt trời trở lên có lại chuyển thành đối tợng đợc gọi lỗ đen Từ hai mơi năm trớc áp dụng phơng trình Einstein thuyết tơng đối rộng, ngời ta khẳng định đối tợng cuộn không-thời gian vào quanh chúng cách khối lợng chúng tách rời khỏi vũ trụ Nghĩa theo nhà khoa học đủ nặng đặc có trờng hấp dẫn mạnh tới mức không cho ánh sáng thoát đợc, ấnh sáng phát từ bề mặt bị kéo ngợc trở lại trớc truyền xa, tia sáng sát gần phạm vi đối tợng uốn cong tới mức phôtôn bắt đầu quay quanh với quỹ đạo khép kín không chạy thoát vào vũ trụ Và chừng đối tợng cha phát ánh sáng phải đen Năm 1969 nhà khoa học Mỹ tên Wheeler đặt tên cho đối tợng lỗ đen-Black hole Khi nghiên cứu lý thuyết lỗ đen, nhà khoa học khái quát tổng thể: Lỗ đen vũ trụ nơi mật độ vật chất vô lớn nên lực hấp dẫn lớn Vì phôton bị lực hấp dãn giữ lại xuất hiện, từ lỗ đen xạ đến trái đất Bất kỳ vật chất rơi vào trờng hấp dẫn lỗ đen bị giữ chặt lại thoát đợc Thế nhng, cách không lâu vào tháng 07/2004 nhà khoa học ngời Anh Stephen Hawking, ngời đa nhiều kêt luận lỗ đen trớc đó, ngời đă hoàn thiện cho lý thuyết vê lỗ đen vũ trụ lại có lời cáo lỗi với toàn thể giới khoa học Rằng nghiên cứu ông cho thấy: lỗ đen không đóng cửa hoàn toàn với vũ trụ bên chúng toả nhiệt nhiều lỗ đen lộ dần thông tin bên Một lỗ đen có lối vào có lối Nghĩa vật chất bị hút vào lỗ đen biến nh trớc nghĩ mà chuyển hoá thành dạng vật chất có đặc tính riêng Tiểu luận thiên văn Nh thành công trớc nghiên cứu lỗ đen bị phủ nhận Và vấn đề lỗ đen có nhả vật chất hay không vần đề gây nhiều tranh cãi khoa học thiên văn giới Trong ngời bàn luận vấn đề lỗ đen vũ trụ , nghiên cứu trớc đợc nhà khoa học chấp nhận Lỗ đen gì? Nó đợc tạo thành nh nào? Làm để phát quan sát lỗ đen? Vai trò, ảnh hởng lỗ đen? Tiểu luận thiên văn Phần nội dung: lỗ đen I Lỗ đen đợc hình thành nh nào? Chúng ta biết vòng đời bắt đầu lợng lớn khí mà phần nhiều Hiđro bắt đầu co lại lực hấp dẫn mình, mật độ vật chất tăng lên, nguyên tử va chạm với thờng xuyên hơn, vận tốc tăng dẫn tới khối khí nóng dần lên Nhiệt độ tăng dần cao tới mức đủ để xảy phản ứng nhiệt hạch (giống nh nhà máy điện nguyên tử ), nguyên tử Hiđro tự kết hợp với để tạo thành nguyên tử Helli Phản ứng lại sinh nhiệt lợng làm nhiệt độ cao dần lên tới mức làm phát sáng, làm tăng áp suất khối khí đủ để cân với lực hấp dẫn, khối khí ngừng co lại Nhiệm vụ chúng phát sáng Sau thời gian ổn định lâu dài dùng hết khí Hiđrô nhiên liệu hạt nhân nó, lạnh co lại Ngôi co lại đến đâu? Câu trả lời co lại đến bán kính hấp dẫn Bán kính hấp dẫn gì? Theo định luật vạn vật hầp dẫn, lực hấp dẫn hai vật tỉ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách chúng Nh mà khoảng cách giảm tới không lực hấp dẫn lớn đến vô Theo thuyết tơng đối, lực hấp dẫn vật có khối lợng M lên vật khác tăng đến vô khoảng cách giảm tới không mà tới giá trị định Rg = 2GM Mặt cầu bán kính Rg bao xung quanh vật M đợc gọi mặt c2 cầu hấp dẫn Rg đợc gọi bán kính hấp dẫn vật M Tiểu luận thiên văn Chúng ta xét khối lợng M co đến bán kính bán kính cầu Mo g hấp dẫn khối lợng riêng trung bình = 2.10 M cm 16 Giả sử mặt trời co tới bán kính cầu hấp dẫn R g=2,96km =2.1016 g/cm3, lớn so với khối lợng riêng hạt nhân nguyên tử =1014g/cm3 vật chất trạng thái nh không thực Thế nhng với có khối lợng lớn nhiều so với khối lợng mặt trời khối lợng riêng co lại bé khối lợng riêng hạt nhân Ta giả thiết số điều kiện định co đến kích thớc bán kính cằu hấp dẫn Và co đến kích thớc bán kính cầu hấp dẫn, trờng hấp dẫn bề mặt trở nên mạnh tới mức thoát khỏi Trờng hấp dẫn làm thay đổi đờng truyền tia sáng không- thời gian so với đờng truyền tia sáng mặt Theo thuyết tơng đối Einstein vận tốc ánh sang lớn nhất, vận tốc lớn vận tốc ánh sáng, dẫn đến hệ quanh biến đổi đặc tính không gian mà ảnh hởng nhịp độ thời gian Chúng ta biết thuyết tơng đối khái niệm thời gian tuyệt đối, đo thời gian xảy kiện hai nơi khác khác Ta có t khoảng thời gian hai kiện xảy thiên thể khối lợng M bán kính r Còn t khoảng cách thời gian xảy hai kiện nhng đợc đo nơi khác cách xa thiên thể Từ hệ phép biến đổi Lorenzt ta đợc: t ' = t v Vận tốc tối thiểu để vật m thoát khỏi vật M v = c Từ suy t ' = t t = 2GM R 1 g rc r 2GM r Tiểu luận thiên văn Khi r lớn so với Rg t=t Nhng r tiến tới Rg t lớn vô Nh thiên thể có bán kính co rút tới gần trị số bán kính hấp dẫn toạ độ thơì gian vô lớn Thời gian kéo dài mãi Đối với bình thờng phát bớc sóng 0=cT0 (T0 chu kỳ sóng), có bán kính r= Rg chu kỳ T0 tiến đến vô Nghĩa bớc sóng vô cùng, tức sóng điện từ đợc phát Một ánh sáng không thoát thí thoát đợc, tất bị trờng hấp dẫn giữ lại Ta có tập cố tức vùng không thời gian mà thoất khỏi nó, vùng mà nói đến lỗ đen Khi lỗ đen hình thành, xung quanh xuất mặt giới hạn - đờng chân trời- ngăn cách phần lại vũ trụ vùng không gian không - thời gian biến dạng mạnh đến mức thoát đợc Ngoài lỗ đen đợc hình thành tự co lại có khối lợng lớn nhiều khối lợng mặt trời, khả khác đợc xem xét có tồn lỗ đenvới khối lợng nhỏ so với khối lợng mặt trời Những lỗ đen nh hình thành co lại hấp dẫn khối lợng chúng thấp Các có khối lợng thấp tự chống chọi với lực hấp dẫn, chí chúng hết nguyên liệu hạt nhân Do lỗ đen có khối lợng thấp đợc hình thành vật chất đợc nén với mật độ cực lớn áp lực cao từ bên Khả khách quan lỗ đen đợc hình thành dới nhiệt độ áp suất cao giai đoạn đầu vũ trụ Đó lỗ đen nguyên thuỷ Lý thuyết cho ta thấy gọi tồn lỗ đen Thế thực nghiệm sao, làm để phát quan sát lỗ đen? II Sự phát quan sát lỗ đen: Tiểu luận thiên văn Lỗ đen ,vùng không-thời gian từ thoát đợc mạnh Làm quan sát đợc lỗ đen mà sóng điện từ phát ra? Thực tế lỗ đen không phát thứ nhng tác dụng lực hấp dẫn lên vật xung quanh Do quan sát lỗ đen viên đôi Khi quan sát thấy chuyển động quanh vật thể không nhìn thấy Vật thể lùn trắng già, nơtron chết lỗ đen Nhng vật thể không nhìn thấy có khối lợng lớn lần khối lợng mặt trời lỗ đen Trong trờng lực mãnh liệt lỗ đen vật chất vệ tinh bị hút chuyển động dọc theo quỹ đạo xoắn ốc, bị nung nóng lên đến nhiệt độ hàng chục triệu độ trở thành nguồn xạ tia Rơghen cực mạnh Chúng ta quan sát lỗ đen nhờ xạ Rơghen này, đặt máy thu tia X trạm vũ trụ Những nghiên cứu cho thấy cách nhà khoa học có nhiều chứng xác nhân có tồn lỗ đen vũ trụ Có hàng trăm lỗ đen thiên hà Dẫn chứng tiêu biểu hệ thống Cygnus, chòm thiên hà có nguồn phát tia X mạnh đợc gọi Cyg X-1 (vào năm 1971) Giải thích nguồn phát tia X vật chất bị khỏi bề mặt nhin thấy rơi phía vật thể đồng hành không nhìn thấy, phát triển thành chuyển động hình xoắn ốc, trở nên nóng phát tia X Muốn cho chế hoạt động, vật thể đồng hành không nhìn thấy phải nhỏ, giống nh lùn trắng, nơtrôn lỗ đen Những tính toán cho thấy vật thể không nhìn thấy có khối lợng cỡ gấp lần khối lợng mặt trời chắn lỗ đen Những công trình nghiên cứu gần đa số chứng số lỗ đen khác hệ thống giống nh hệ thống Cygnus thiên hà thiên hà lân cận có tên Magellanic Clouls Tiểu luận thiên văn Thông báo ngày 19/07/2001 nhà khoa học Mỹ cho biết, có lỗ đen với khối lợng trung bình ẩn náu thiên hà M33, thiên hà M33 Thiên hà hàng xóm Nằm cách trái đất triệu năm ánh sáng Một thông tin gần nhà khoa học trờng đại học Stanfordroge (Romani) quan sát đợc lỗ đen nầm ỏ trung tâm dải Ngân Hà, lỗ đen có tên Q0906+6930 Trọng lợng trọng lợng tất dải ngân hà Tuổi thọ đợc hình thành tỉ năm sau vũ trụ hình thành lỗ đen lớn tuổi mà loài ngời tìm thấy đợc Ngày 16/04/2004 Một trạm vũ trụ tự động Châu Âu Mỹ phát Lỗ đen Tia X Sao nhìn thấy lỗ đen xé xác nhờ xạ hãm có tia X phát Ngoài việc phát tồn lỗ đen nhờ xạ X phát lỗ đen xé xác sao, có phơng pháp dùng tợng thấu kính hấp dẫn để phát quan sát hốc đen vũ trụ Thấu kính hấp dẫn gì? Hai năm, sau ngày thuyết tơng đối rộng Einstein đời, ngày 28/05/1919 Chilê xảy tợng nhật thực toàn phần Hai đoàn nhà khoa học đợc cử đến từ Châu âu quan sát hiệm tợng Khi cha có nhật thực toàn phần số bầu trời có toạ độ i , i Nhng xảy tợng nhật thực toàn phần, quan sát toạ độ lại thay đổi i , i Sở dĩ nh có vật thể có sức hút mạnh tới mức bẻ cong ánh sáng từ phát đờng truyền gần tới vật thể Vật thể mà Tiểu luận thiên văn bẻ cong ánh sáng gọi thấu kính hấp dẫn.Thấu kính hấp dẫn lỗ đen, thiên hà, nơtron Và để biết đợc liệu có phải lỗ đen hay không lại cần phải có kiểm chứng khoa học III S1 S Thấu kính hấp dẫn S2 Vai trò, ảnh hởng lỗ đen: Nh việc lỗ đen tồn vũ trụ không nghi ngờ Nhng việc phất lỗ đen đóng vai trò nghiên cứu thiên văn vật lý học? Các nhà khoa học cho biết thiên hà có nhiều lỗ đen Lực hấp dẫn cộng thêm lỗ đen giải thích đợc thiên hà lại quay với tốc độ nh có Bởi thực tế khối lợng không đủ thiên hà quay Chúng ta có số chứng cho thấy có lỗ đen lớn nằm tâm thiên hà với khối lợng lớn khối lợng mặt trời hàng trăm triệu lần Các tới gần lỗ đen bị xé tan khác biệt hấp dẫn phía gần phía xa Điều giúp ta giải thích rõ phần thiên hà lại có cấu trúc xoắn ốc quanh quanh tâm Năm 1976 Stephen Hawking đoán sau hình thành, lỗ đen dần khối lợng trình xạ lợng Bức xạ đợc gọi xạ Hawking, không chứa thông tin vật chất bên lỗ đen Sự tồn xạ phát từ lỗ đen cho thấy co lại hấp dẫn cha phải chấm hết đảo ngợc lại thời gian nh nghĩ Nếu rơi vào lỗ đen khối lợng chúng tăng nhng cuối lợng tơng đơng Tiểu luận thiên văn với khối lợng đợc trả lại vũ trụ dới dạng xạ Và cấu tạo hạt vật chất tạo nên khác với hạt vật chất cuối lại lỗ đen Nh đặc điểm chung lại khối lợng lợng Stephen Hawking cho đến cuối đời lỗ đen tức mà lỗ đen xạ gần hết lợng trở nên cực nhỏ, lỗ đen biến mang theo toàn thông tin vật chất bên khỏi vũ trụ Song điều mâu thuẫn với định luật vật lý lợng tử theo thông tin lỗ đen không biến hoàn toàn Để giải thích điều ông cho trờng hấp dẫn cực mạnh lỗ đen vô hiệu hoá định luật vật lý lợng tử Nếu nh có tồn lỗ đen nguyên thuỷ, cho thông tin quan trọng giai đoạn đầu sớm vũ trụ Nếu vũ trụ giai đoạn đầu sớm hỗn loạn bất thờng áp suất vật chất thấp nghĩ tạo nhiều lỗ đen nguyên thuỷ giới hạn xác lập từ việc quan sát xạ Hawking Những lỗ đen nguyên thuỷ với khối lợng ban đầu cỡ hàng triệu có thời gian sống xấp xỉ tuôỉ vũ trụ Nếu phát việc nghiên cứu vũ trụ thêm ý nghĩa Tiểu luận thiên văn Phần kết luận Chúng ta sống giới làm phải trầm t suy nghĩ Chúng ta muốn gán cho vật xung quanh ý nghĩa đặt hàng vạn câu hỏi Bản chất vũ trụ gì? Loài ngời đóng vai trò nh vũ trụ? Tại lại có tồn vũ trụ?Để trả lời câu hỏi tr ớc hết phải hoàn thiện đợc tranh toàn cảnh vũ trụ Trong tranh tồn đợc gọi lỗ đen không nghi ngờ lúc lỗ đen vấn đề gây tranh cãi giới khoa học Liệu lỗ đen có làm cho vật thể biến nh chung ta nghĩ hay không mà biết vật chất chuyển hoá tứ dạng sang dạng khác mà bị hoàn toàn Hay giống nh giả thuyết đợc đa từ Stephen Hawking Lỗ đen không đóng hoàn toàn với vũ trụ bên ngoài, lộ dần thông tin vật chất bên nó, lỗ đen có lối vào có lối ra? Nhng cho dù nh việc phát tồn lỗ đen vũ trụ khẳng định tính đắn thuýêt tơng đối Einstein khẳng định tính đắn công trình nghiên cứu lý thuyết Nó khiến nhà khoa học giới phải dày công suy nghĩ tốn nhiều bút mực, thúc đẩy khoa thiên văn phát triển mạnh mẽ Nh thấy lỗ đen đóng vai trò to lớn giúp giải thích rõ tợng vũ trụ, giúp hoàn thiện tranh toàn cảnh vũ trụ 10 Tiểu luận thiên văn Mục lục Trang Phần mở đầu Phần nội dung I.Lỗ đen đợc hình thành nh nào?3 II.Sự phát quan sát lỗ đen.5 III Vai trò ảnh hởng lỗ đen Phần kễt luận10 11 [...].. .Tiểu luận thiên văn Mục lục Trang Phần mở đầu 1 Phần nội dung 3 I .Lỗ đen đợc hình thành nh thế nào?3 II.Sự phát hiện và quan sát lỗ đen. 5 III Vai trò và ảnh hởng của lỗ đen 7 Phần kễt luận1 0 11 ... đến lỗ đen Khi lỗ đen hình thành, xung quanh xuất mặt giới hạn - đờng chân trời- ngăn cách phần lại vũ trụ vùng không gian không - thời gian biến dạng mạnh đến mức thoát đợc Ngoài lỗ đen đợc hình... t khoảng cách thời gian xảy hai kiện nhng đợc đo nơi khác cách xa thiên thể Từ hệ phép biến đổi Lorenzt ta đợc: t ' = t v Vận tốc tối thiểu để vật m thoát khỏi vật M v = c Từ suy t ' = t t =... dẫn bề mặt trở nên mạnh tới mức thoát khỏi Trờng hấp dẫn làm thay đổi đờng truyền tia sáng không- thời gian so với đờng truyền tia sáng mặt Theo thuyết tơng đối Einstein vận tốc ánh sang lớn nhất,