tiểu luận về sự hình thành lỗ đen

Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen NỘI DUNG Sơ lược lỗ đen Chúng ta nghe nhiều nguồn thơng tin đề cập đến lỗ đen Vậy lỗ đen thực chất gì? Nó hình thành nào? Nó có đặc điểm gì? Hơm tìm hiểu Một vật thể đặc biệt ẩn chứa nhiều bí ẩn Để hiểu lỗ đen hình thành nào, trước hết phải hiểu vòng đời ngơi Một ngơi hình thành lượng lớn khí (mà chủ yếu hydro) bắt đầu co lại lực hút hấp dẫn Và khối khí co lại, nên ngun tử khí va chạm thường xun ngày có vận tốc lớn dẫn tới khối khí nóng lên Cuối cùng, khối khí nóng tới mức ngun tử hydro va chạm chúng khơng rời mà liên kết với thành ngun tử heli Nhiệt giải phóng từ phản ứng - giống vụ nổ bom khinh khí - làm cho ngơi phát sáng Lượng nhiệt làm tăng áp suất khối khí đủ để cân với lực hút hấp dẫn khối khí ngừng co lại Điều giống với trường hợp khí cầu, có cân áp suất khơng khí bên có xu hướng làm cho khí cầu phồng sức căng vỏ cao su có xu hướng làm cho co lại Những ngơi ổn định thời gian dài với nhiệt từ phản ứng hạt nhân tỏa cân với lực hút hấp dẫn Tuy nhiên, cuối ngơi dùng hết số khí hydro nhiên liệu hạt nhân Một điều thật nghịch lý ngơi có nhiều nhiên liệu lúc bắt đầu hết sớm Đó ngơi nặng phải nóng để cân với lực hút hấp dẫn Mà nóng dùng hết số nhiên liệu nhanh Mặt trời có lẽ đủ nhiên liệu cho khoảng gần năm ngàn triệu năm nữa, ngơi nặng dùng hết nhiên liệu chúng khoảng trăm triệu năm, tuổi vũ trụ nhiều Khi ngơi hết nhiên liệu, lạnh co lại Chỉ cuối năm 20, người ta hiểu điều xảy Sau ngơi đốt cháy hết lượng ngơi hết lực hấp dẫn ngơi trở thành lỗ đen Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen Có thể nói cách khái qt rằng: Lỗ đen vùng khơng - thời gian nơi mà trọng lực hút lấy thứ kể ánh sáng Lý thuyết tương đối rộng dự đốn khối lượng đủ nhỏ làm biến đổi khơng - thời gian để hình thành nên lỗ đen Bao quanh lỗ đen bề mặt định nghĩa cách tốn học gọi chân trời kiện, nơi mà vật thể khơng thể quay trở đặt chân vào Sở dĩ lỗ đen gọi “đen” hấp thụ tất ánh sáng khơng xạ trở lại Ý tưởng vật thể có khối lượng vơ lớn mà ánh sáng khơng thể lần đưa nhà địa chất John Mitchell thư ơng gửi cho Henry Cavendish Sự hình thành loại lỗ đen 2.1 Lý thuyết suy sụp hấp dẫn thuyết tương đối rộng Lỗ đen hình thành từ ngơi khổng lồ bị hết lượng Suy sụp hấp dẫn tượng co nén nhanh vật thể có khối lượng lớn (thiên thể) tác dụng lực hấp dẫn Suy sụp hấp dẫn thường xuất giai đoạn kết thúc q trình tiến hố thiên thể có khối lượng lớn, vào Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen khoảng 10 lần khối lượng Mặt trời Sau khí đốt cạn nguồn nhiên liệu hạt nhân, (hay nói chung thiên thể) bị cân học dẫn đến q trình co nén vào tâm với tốc độ tăng dần Cùng với q trình suy sụp hấp dẫn vào q trinh tăng áp suất bên Nếu áp suất tâm tăng đủ lớn để ngừng q trình suy sụp hấp dẫn thiên thể có khối tâm neutron đặc Lớp vỏ lúc bắn ngồi tạo thành tinh vân, độ sáng thiên thể tăng lên hàng triệu lần thời gian ngắn hình thành siêu Ngược lại, áp suất bên thiên thể đủ làm chậm q trình suy sụp hấp dẫn khơng ngăn co nén vật chất vào bán kính hấp dẫn, vật chất tiếp tục suy sụp vào khối tâm lúc trở thành lỗ đen Theo thuyết tương đối khơng có chuyển động nhanh ánh sáng Vì vậy, ánh sáng khơng thể khơng có được; tất bị trường hấp dẫn kéo lại Do đó, ta có tập cố, tức vùng khơng- thời gian, ma khơng có từ để đến với người quan sát từ xa Vùng mà người ta gọi lỗ đen 2.2 Cơ chế hình thành lỗ đen Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen Khi ngơi đốt cháy hết lượng mình, xác tồn Hydro kết hợp (phản ứng nhiệt học) để tạo Heli chúng khơng lượng giải phóng để cân với lực hấp dẫn thân hướng vào tâm nên ngơi co lại Trong q trình co lại hạt nhân Heli bị nén chặt kết hợp tạo hạt nhân nặng (C, O hay nữa), q trình giải phóng lượng làm vỏ ngồi phồng to (giai đoạn khổng lồ đỏ) lõi co lại nhanh Tới mật độ định, lõi bùng phát giải phóng lượng lần cuối vụ nổ lớn, lượng từ lõi phóng phá nát vỏ ngồi, vụ nổ siêu tân tinh, phần vỏ bị phá nát trở thành đám khí bụi lớn gọi tinh vân hành tinh Lõi sau vụ nổ tiếp tục co thêm trở thành lùn trắng với Mặt Trời, tức chúng trở thành thiên thể dần tắt hẳn khơng phát ánh sáng Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen Khi ngơi co tới bán kính tới hạn đó, trường hấp dẫn bề mặt trở nên mạnh tới mức nón ánh sáng bị uốn vào phía nhiều ánh sáng khơng thể ngồi Trường hấp dẫn mơ tả thuyết tương đối rộng Einstein khơng gian chịu ảnh hưởng hấp dẫn có mặt khối lượng, vật chất mang khối lượng sụp đỗ kéo theo biến dạng trường hấp dẫn, biến dạng khơng gian xung quanh Một vùng khơng gian quanh ngơi chết lúc bị uốn cong thành vùng kín (dạng khối cầu) Ngơi mơ tả trỏe thành lỗ đen vùng khơng gian khép kín gọi chân trời kiện lỗ đen Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen 2.3 Sự tồn lỗ đen vũ trụ Năm 1915, Einstein đưa lí thuyết hấp dẫn gọi lí thuyết tương đối rộng trước ơng cho thấy ánh sáng bị ảnh hưởng lực hấp dẫn Mấy tháng sau, Karl Schwarzschild đua nghiệm cho trường hấp dẫn khối lượng điểm tiên đốn lí thuyết tồn vật thể mà ngày gọi lỗ đen Ngáy nay, bán kính Schwarzschild coi bán kính lỗ đen khơng quay, vào lúc người ta khơng hiểu rõ nó, Bản thân Schwarzschild nghĩ khơng có ý nghĩa vật lí Vào năm 1920, Subrahmanyan Chandrasekhar cho tính tốn vật thể khơng quay có khối lượng lớn giá trị định mà ngày biết giới hạn Chandrasekhar, suy sụp lực hấp dẫn khơng có cản trở q trình diễn Tuy nhiên, nhà vật lí khác Arthur Eddington chống lại giả thuyết cho chắn có xảy để khơng cho vật chất suy sụp đến mật độ vơ hạn Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen Năm 1939, Robert Oppenheimer H.Snyder tiên đốn ngơi nặng phải chịu q trình suy sụp hấp dẫn Các lỗ đen hình thành tự nhiên Trong thời gian, người ta gọi vật thể “ngơi bị đóng băng” suy sụp bị chậm cách nhanh chóng ngơi trở nên đỏ đạt đến gần giới hạn Schwarzschild Tuy vậy, vật thể nặng khơng quan tâm Phần lớn nhà vật lí vào lúc đó, tin lỗ đen nghiệm đối xứng cao Schwarzschild tìm ra, vật thể bị suy sụp tự nhiên khơng tạo nên lỗ đen Việc nghiên cứu lỗ đen trỡ nên sơi vào năm 1967 tiến lí thuyết thực nghiệm Stephen Hawking Roger penrose chứng minh lỗ đen nghiệm tổng qt thuyết hấp dẫn Einstein, suy sụp để tạo nên lỗ đen, số trường hợp khơng thể tránh 2.4 Lỗ đen có khối lượng trung bình Những lỗ đen khác có khối lượng từ 10 lần đến hàng trăm lần khối lượng Mặt trời gọi lỗ đen khối lượng trung bình (IMBH) Loại lỗ đen q lớn để hình thành từ suy sụp hấp dẫn ngơi Có ba giả thuyết hình thành lỗ đen khối lượng trung bình Thứ là hợp lỗ đen có khối lượng với thiên thể đồng hành Thứ hai chạm ngơi lớn đám dày đặc suy sụp hấp dẫn sau q trình va chạm tạo thành lỗ đen IMBH Thứ bà lỗ đen có khối lượng trung bình lỗ đen ngun thuỷ hình thành từ vụ nổ Big-bang Chỉ có khoảng lỗ đen loại tìm thấy 2.5 Lỗ đen siêu khối lượng Các lỗ đen có khối lượng khoảng từ 10 đến 1,8.1010 khối lượng Mặt trời gọi lỗ đen siêu khối lượng Phần lớn thiên hà, kể cà Ngân Hà có chứa vùng nhân lỗ đen siêu khối lượng So với lỗ đen nhỏ, lỗ đen siêu khối lượng có khối lượng riêng nhỏ hơn, chí nhỏ khối lượng riêng nước Đã có nhiều giả thiết khác cho chế hình thành lỗ đen siêu khối lượng Một số cho “hạt giống” lỗ đen siêu khối lượng lỗ đen khác có khối lượng hành trăm lần khối lượng Mặt trời hình Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen thành sau vụ nổ lớn lớn lên nhờ bồi đắp vật chất Giả thiết cuối cho rằng, lỗ đen siêu khối lượng lỗ đen ngun thuỷ Những lỗ đen siêu khối lượng xuất từ sớm vũ trụ (khi vũ trụ tỉ năm tuổi), từ thiên hà lớn 2.6 Lỗ đen siêu nhỏ Lỗ đen siêu nhỏ hay gọi hố đen có kích thước ngun tử, tính chất học lượng tử có tầm quan trọng lớn Người ta cho lỗ đen siêu nhỏ tạo mơi trường có mật độ vật chất dày đặc vũ trụ sơ khai(sau bigbang) Trên lý thuyết, lỗ đen siêu nhỏ lớn khối lượng Planck (22 microgram) Máy gia tốc hạt lớn (LHC) lý thuyết tạo lỗ đen siêu nhỏ cách cho phân tử va chạm với lượng thích hợp Tuy nhiên, lỗ đen siêu nhỏ cho vơ hại “bốc hơi” gần lập tức, thực nguy hiểm, lỗ đen mini tạo tia vũ trụ tiêu diệt tồn thiên thể biết (cả Trái Đất, Mặt trời, notron, lùn trắng) từ lâu 2.7 Lỗ đen ngun thuỷ Lỗ đen ngun thuỷ giả thiết khơng phải hình thành từ suy sụp hấp dẫn ngơi lớn mà áp suất cực lớn từ mật độ vật chất dày đặc vũ trụ ban đầu Theo thuyết Big-bang, khoảnh khắc sau vụ nổ, áp suất nhiệt độ lớn Dưới điều kiện đó, dao động đơn giản mật độ khối lượng tạo nên vùng dày đặc đủ để tạo lỗ đen Mặc dù hầu hết vùng có mật độ cao bị nhanh chóng phân tán giãn nở vũ trụ, lỗ đen ngun thuỷ ổn định tồn Q trình “bốc hơi” lỗ đen ngun thủy ngun nhân vụ bùng nổ tia gamma Ngồi số vấn đề vật chất tối, vách domain (ranh giới mà có thay đổi hướng moment từ trường), đơn cực từ vũ trụ có liên quan tới lỗ đen ngun thủy Lỗ đen ngun thủy kích thước Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen Lỗ đen ngun thủy góp phần hình thành nên thiên hà Tóm lại, ngun tắc chung để tạo thành lỗ đen tạo áp suất đủ lớn để q trình suy sụp vật chất diễn vơ hạn tạo nên lực hấp dẫn cực lớn Dựa vào khối lượng lỗ đen, người ta chia lỗ đen làm loại lỗ đen có khối lượng sao, lỗ đen có khối lượng trung bình (IMBH), lỗ đen siêu khối lượng lỗ đen khối lượng siêu nhỏ Mỗi loại lỗ đen đưa nhiều giả thuyết hình thành Thành phần cấu tạo lỗ đen 3.1 Cấu trúc Ta vừa tìm hiểu hình thành lỗ đen Vậy lỗ đen cấu tạo bao gồm thành phần nào? Trước hết nói đến cấu trúc lỗ đen Thuyết “Khơng có tóc” (NO-HAIR) chứng tỏ rằng, vào tình trạng ổn định sau hình thành, lỗ đen bao gồm ba thơng số vật lý khối lượng, điện tích moment động lượng Bất kì hai lỗ đen có tính chất thơng số khơng thể phân biệt chúng học cổ điển Các lỗ đen đơn giản có khối lượng mà khơng có điện tích hay moment động lượng Những lỗ đen thường gọi lỗ đen Schwarzschild sau Karl Schwarzschild phát năm 1916 Theo định luật Birkhoff, lỗ đen vùng khơng gian có dạng đối xứng cầu Điều có nghĩa ta khơng thể tìm khác biệt trường hấp dẫn lỗ đen với trường hấp dẫn vật thể khác có dạng đối xứng cầu có khối lượng với Do đó, quan niệm thơng thường cho rằng, lỗ đen hút tất vật mơi trường xung quanh vùng gần chân trời kiện lỗ đen Ngồi ra, có cách khác để mơ tả lỗ đen tổng qt Một lỗ đen tích điện mơ tả hàm Reissner – Nordstrưm, hàm Kerr dùng để mơ tả lỗ đen quay Cách chung để mơ tả lỗ đen hàm Kerr – Newman, mơ tả lỗ đen điện tích moment động lượng Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen Trong khối lượng lỗ đen giá trị dương điện tích moment động lượng lại bị giới hạn khối lượng 3.2 Chân trời kiện Chân trời kiện tạo đường khơng-thời gian tia sáng vừa chớm khơng khỏi lỗ đen, vĩnh viễn chơi vơi mép Mỗi lỗ đen có kích thước điểm, đặc điểm bí ẩn có “chân trời kiện”, mặt biên ảo với kích thước hạn chế bao quanh lỗ đen Ở đó, vật chất rơi vào biến vĩnh viễn khỏi vũ trụ Đối với nhân loại ngày nay, tồn chất chân trời kiện bí ẩn nhiều so với thân lỗ đen “Bề mặt” lỗ đen gọi chân trời kiện, bề mặt ảo xung quanh lỗ đen Stephen Hawking sử dụng định lý Gauss – Bonnet để chứng minh hình học tơpơ chân trời kiện lỗ đen (bốn chiều) hình cầu Tại chân trời kiện, vận tốc vận tốc ánh sáng Do đó, vật gì, kể photon bên chân trời kiện khơng thể khỏi chân trời kiện trường hấp dẫn q mạnh lỗ đen Các vật thể chuyển động trường hấp dẫn thời gian bị chậm gọi giãn nở thời gian Gần chân trời kiện, giãn nở thời gian xảy nhanh Bản thân vật thể qua chân trời kiện khơng cảm Nhóm Trang 10 Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen thấy điều đặc biệt, người quan sát bên ngồi thấy vật thể tiến gần chân trời kiện cách chậm dần hẳn Đó ánh sáng từ vật thể phải thời gian lâu để khỏi lực hấp dẫn tiến gần chân trời kiện, khoảng thời gian vơ tận đạt đến chân trời kiện để đến với người quan sát bên ngồi Chính gọi chân trời người quan sát nhìn vật thể tiến đến chân trời kiện tương tự máy bay khuất sau chân trời thường Diện tích chân trời kiện tăng khơng đổi, lỗ đen hợp vào khơng thể có trường hợp lỗ đen tách thành lỗ đen nhỏ 3.3 Bán kính Schwarzchild Khái niệm chân trời kiện có liên quan đến khái niệm bán kính Schwarzschild vật lý Bán kính Schwarzschild hay bán kính hấp dẫn Schwarzschild vật thể bán kính giới hạn mà kích thước vật thể nhỏ giá trị trở thành hố đen (lực hấp dẫn lớn tới mức vận tốc vũ trụ cấp hai vật thể đạt tới ngưỡng vận tốc ánh sáng) Bán kính Schwarzschild vật thể khối lượng M cho cơng thức sau: RS = 2GM c2 Trong RSlà bán kính hấp dẫn Schwarzschild, tính km G số hấp dẫn M khối lượng vật thể (khơng phải khối lượng lỗ đen), tính kg c vận tốc ánh sáng chân khơng (300.000 km/s) Bán kính Schwarzschild Mặt Trời xấp xỉ km Trái Đất khoảng 9mm, nghĩa nén tồn Trái Đất lại thành viên bi đường kính 9mm biến thành lỗ đen Bán kính Schwarzschild khơng phải bán kính lỗ đen 3.4 Điểm kì dị (Singularity) Một thành phần quan trọng khác lỗ đen mà ta cần tìm hiểu điểm kì dị Nhóm Trang 11 Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen Tại tâm lỗ đen, bên chân trời kiện, lý thuyết tương đối rộng tiên đốn có điểm kì dị, độ cong khơng – thời gian trở nên vơ hạn lực hấp dẫn mạnh vơ hạn Với lỗ đen khơng quay, điểm có hình dạng dấu chấm Và với lỗ đen quay, bơi thành “nhẫn” kì dị nằm mặt phẳng chuyển động quay Trong hai trường hợp khơng tích, mà chứa tồn khối lượng lỗ đen Và khối lượng riêng coi vơ hạn Bất vật rơi vào lỗ đen khơng thể tránh khỏi việc hút vào điểm kì dị, qua chân trời kiện Khi rơi vào điểm kì dị, vật chất bị ép tới khối lượng riêng vơ hạn Trước chút, bị xé nát lực thuỷ triều Tuy nhiên trường hợp lỗ đen khơng quay khơng có điện tích, có tích điện quay, vật chất khỏi vùng kì dị Trường hợp gọi lỗ giun đào Vật chất giả thuyết chuyển đến vũ trụ khác từ sinh khái niệm du hành vượt thời gian Tuy nhiên, lại tồn nghịch lý du hành thời gian: người du hành vượt thời gian đến q khứ giết ơng nội trước sinh cha mẹ vật thân người khơng sinh Vậy khơng sinh chẳng có chuyện người quay q khứ để giết ơng nội Tóm lại, điểm kì dị nằm trung tâm lỗ đen nơi mà định luật vật lý quy luật khơng – thời gian bị phá vỡ 3.5 Mặt cầu photon Ergo Ngồi chân trời kiện, điểm kì dị, lỗ đen có hai thành phần khác mặt cầu photon mặt cầu ergo Mặt cầu photon giới hạn hình cầu có độ dày mà photon chuyển động tiếp tiếp với cầu theo quỹ đạo hình tròn Với lỗ đen khơng quay, mặt cầu photon có bán kính gấp 1,5 lần bán kính Schwarzschild Với lỗ đen quay, có hai mặt cầu photon Khi quay, kéo lê khơng gian Mặt cầu photon gần lỗ đen chuyển động quay chiều mặt cầu bên ngồi quay ngược lại Vận tốc góc lỗ đen lớn khoảng cách hai mặt cầu xa Nhóm Trang 12 Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen Lỗ đen quay bao quanh vùng khơng – thời gian khơng đứng n gọi ergo Nó kết “kéo lê” khối lượng quay khơng – thời gian xung quanh Quyển ergo giới hạn phần ngồi chân trời kiện khối cầu dẹt, tiếp xúc với chân trời kiện hai cực, phình Vật thể xạ bình thường từ ergo Sự lớn lên “bốc hơi” lỗ đen 4.1 Sự bồi đắp vật chất Một lỗ đen hình thành, tiếp tục lớn lên nhờ hấp thụ vật chất Bất kì lỗ đen tiếp tục hấp thụ khí bụi xung quanh xạ phơng vũ trụ Đây q trình để lỗ đen khối lượng siêu lớn phát triển Một khả khác lỗ đen dung hợp với ngơi lỗ đen khác Đây giai đoạn quan trọng phát triển lỗ đen siêu khối lượng hay khối lượng trung bình Vấn đề trình bày kĩ phần Quan sát lỗ đen 4.2 Bức xạ Hawking Năm 1974, Hawking cho thấy lỗ đen khơng hồn tồn “đen” mà xạ nhiệt, hay gọi xạ Hawking Bằng việc áp dụng lý thuyết trường lượng tử, ơng phổ hạt xạ lỗ đen giống quang phổ vật đen tuyệt đối Vì vậy, lỗ đen bị “bay hơi” qua thời gian thơng qua q trình xạ Nhiệt độ quang phổ ( nhiệt độ Hawking) tỉ lệ với trọng lực bề mặt lỗ đen, tỉ lệ nghịch với khối lượng Vì lỗ đen lớn phát xạ lỗ đen nhỏ Bức xạ Hawking phát vùng khơng gian bên ngồi chân trời kiện Cơ chế: vùng khơng gian đó, có thăng giáng lượng tử tạo cặp hạt-phản hạt Một số phản hạt bị rơi vào chân trời kiện, kết hợp với hạt lỗ đen làm lỗ đen bị bốc hơi, hạt lại khơng tìm thằng lại để hủy trở thành xạ Hawking.Tuy nhiên, ta khó quan sát lỗ đen thường xa, nhà khoa học q trình tìm kiếm chúng Nhóm Trang 13 Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen Quan sát lỗ đen Chúng ta tìm hiểu khái qt lỗ đen.Vậy ta quan sát lỗ đen? Các nhà khoa học khơng ngừng tìm hiểu để tìm cách để quan sát lỗ đen họ kết luận rằng: Ta khơng thể trực tiếp quan sát lỗ đen mà biết diện lỗ đen cách gián tiếp nhờ tương tác hấp dẫn với vật thể xung quanh Sau số cách quan sát gián tiếp 5.1 Sự bồi đắp vật chất Nhờ bảo tồn moment động lượng, vật chất bị hút “cái giếng” hấp dẫn vật có khối lượng cực lớn gây tạo đĩa bồi tụ xung quanh vật Ma sát đĩa tạo moment quay làm cho vật chất bị hút sâu vào giải phóng lượng với việc tăng nhanh nhiệt độ khí Khi vật chất xốy ốc vào lỗ đen neutron, lượng hấp dẫn biến đổi thành động nhiệt Bức xạ cường độ cao truyền bên ngồi (dưới dạng photon) làm ion hóa vật chất gần rìa ngồi đĩa bồi tụ - tạo plasma phát tia X (Hiệu ứng compton ngược) Trong nhiều trường hợp, đĩa bồi tụ kèm với luồng hạt cực, mang theo nhiều lượng Tuy nhiên chế hình thành luồng hạt chưa sáng tỏ 5.2 Tia X hệ đơi Cách thứ hai, hút vật chất đồng hành, q trình tạo chùm tia X Bằng cách quan sát đồng hành, ta thu thập thơng số hệ dự đốn khối lượng hai Nếu lớn nhiều so với giới hạn TOV (khoảng lần khối lượng mặt trời) chắc khơng thể neutron mà phải lỗ đen 5.3 Nhân thiên hà Cách thứ ba, thiên hà hoạt động có tính chất khác thường có vạch quang phổ thu khơng bình thường sóng radio mạnh Lý thuyết thực tế quan sát cho thấy hoạt động thiên hà giải thích lỗ đen siêu khối lượng Những lỗ đen siêu khối lượng với hàng Nhóm Trang 14 Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen triệu triệu lần tỉ tỉ lần khối lượng Mặt trời có đĩa bồi tụ gồm khí bụi hai luồng hạt vật chất nằm vng góc với đĩa Một số thiên hà đáng ý Andromeda, M32, M87, Sombrero,… 5.4 Ảnh hưởng lực hấp dẫn mạnh Một cách khác để xác định lỗ đen quan sát hiệu ứng tạo lực hấp dẫn vùng lân cận Một ví dụ điển hình biến dạng khơng thời gian tạo nên tia sáng bị lệch qua thấu kính Những quan sát cho thất tia sáng bị lệch vài arcsec Vì ta xác định lỗ đen thơng qua quan sát quỹ đạo ngơi chuyển động quanh lỗ đen Nói tóm lại, ta có cách nêu để quan sát lỗ đen tất quan sát lỗ đen cách gián tiếp Những vấn đề lý thú Lỗ đen ẩn chứa nhiều điều kì thú hấp dẫn mà khoa học chưa thể giải thích hết Sau tìm hiểu vài ví dụ 6.1 Vấn đề Nghịch lý thơng tin lỗ đen : thơng tin vật chất rơi vào lỗ đen hồn tồn bị xóa sạch, có khơng? Hiện có giả thuyết trả lời cho vấn đề : 1/ Thơng tin hồn tồn bị vào lỗ đen 2/ Những thơng tin cách từ từ thơng qua bốc lỗ đen 3/ Thơng tin giai đoạn cuối bốc biến lỗ đen 4/ Thơng tin lưu trữ phần lại có kích thước Planck ( sau bốc lỗ đen) 5/ Thơng tin trữ vũ trụ sinh tách biệt với vũ trụ (Đi vào lỗ đen lỗ đen khác, gọi lỗ giun đào hay sâu đục) 6/ Thơng tin mã hóa mối tương quan q khứ ( ta vào lỗ đen ta thấy q khứ, tương lai lúc) Nhóm Trang 15 Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen 6.2 Vấn đề Lỗ đen ngày tận thế! Nếu lỗ đen tiến đến gần chúng ta, có sức tàn phá ghê gớm Chắc chắn Trái Đất khơng tồn bị hút vào lỗ đen Tuy nhiên, ngồi cách nuốt chửng chúng ta, nhiều cách để lỗ đen huỷ diệt Trái Đất Đơn giản lực hút lỗ đen cần làm Trái Đất tiến lại gần văng xa chút khỏi quỹ đạo nay, hành tinh bị Mặt trời thiêu đốt chìm vào kỷ băng hà vĩnh cửu Và chắn khơng thể sống sót lỗ đen ném vào Mặt trời đẩy bay khỏi quỷ đạo Mới đây, nhà thiên văn học Hà Lan khoảng cách xác Trái Đất lỗ đen gần kết khiến giới khoa học phải ngạc nhiên Khi lỗ đen V404-Cygni cách Trái Đất 7800 năm ánh sáng (trong khoảng cách trước đo gấp đơi số đó) Chính điều đạ đặt giả thiết vài chục năm tới, nhà khoa học phát hố đen gần Trái Đất tưởng Và khơng may, lỗ đen xuất gần hệ Mặt trời để tác động ảnh hưởng đến Trái Đất, chí “nuốt chửng” điều gù xảy ra? Đó ngày tận cánh cửa mở chân trời mới, chuyến du hành vào tương lai Nhóm Trang 16 Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen TÀI LIỆU THAM KHẢO Lược sử thời gian – Tác giả: Stephen Hawking Vũ trụ vỏ hạt dẻ - Tác giả: Stephen Hawking Chìa khóa vũ trụ Geogre – Tác giả: Stephen Hawking – Lucy Giáo trình Thiên văn học – Tác giả: Phạm Viết Trinh – Nguyễn Đình Nỗn Trang Thiên Văn học Việt Nam từ điển bách khoa mở Wekipedia Nhóm Trang 17 [...]... các lỗ đen thường ở rất xa, các nhà khoa học cũng đang trong q trình tìm kiếm chúng Nhóm 2 Trang 13 Đề tài: Sự hình thành và phát triển của lỗ đen 5 Quan sát lỗ đen Chúng ta đã được tìm hiểu khái qt về lỗ đen. Vậy làm sao ta có thể quan sát được lỗ đen? Các nhà khoa học đã khơng ngừng tìm hiểu để tìm ra cách để có thể quan sát được một lỗ đen và họ kết luận rằng: Ta khơng thể trực tiếp quan sát được lỗ. .. nghĩa là nếu nén tồn bộ Trái Đất lại thành một viên bi đường kính 9mm thì nó sẽ biến thành một lỗ đen Bán kính Schwarzschild khơng phải là bán kính của lỗ đen 3.4 Điểm kì dị (Singularity) Một thành phần rất quan trọng khác trong lỗ đen mà ta cần tìm hiểu đó điểm kì dị Nhóm 2 Trang 11 Đề tài: Sự hình thành và phát triển của lỗ đen Tại tâm của lỗ đen, bên trong chân trời sự kiện, lý thuyết tương đối rộng... của lỗ đen 4.1 Sự bồi đắp vật chất Một khi lỗ đen được hình thành, nó sẽ tiếp tục lớn lên nhờ hấp thụ vật chất Bất kì một lỗ đen nào cũng sẽ tiếp tục hấp thụ khí và bụi xung quanh nó và những bức xạ của phơng nền vũ trụ Đây là q trình chính để lỗ đen khối lượng siêu lớn phát triển Một khả năng khác là lỗ đen sẽ dung hợp với những ngơi sao hoặc lỗ đen khác Đây là một giai đoạn quan trọng trong sự phát... vào lỗ đen 2/ Những thơng tin đó được thốt ra một cách từ từ thơng qua sự bốc hơi của lỗ đen 3/ Thơng tin thốt ra ở giai đoạn cuối cùng của sự bốc hơi và biến mất của lỗ đen 4/ Thơng tin được lưu trữ ở những phần còn lại có kích thước Planck ( sau sự bốc hơi của lỗ đen) 5/ Thơng tin được trữ ở một vũ trụ mới sinh tách biệt với vũ trụ của chúng ta (Đi vào lỗ đen này và ra ở lỗ đen khác, gọi là lỗ giun... ta đi vào lỗ đen ta sẽ thấy q khứ, hiện tại và tương lai cùng một lúc) Nhóm 2 Trang 15 Đề tài: Sự hình thành và phát triển của lỗ đen 6.2 Vấn đề 2 Lỗ đen và ngày tận thế! Nếu một lỗ đen tiến đến càng gần chúng ta, nó sẽ càng có sức tàn phá ghê gớm hơn Chắc chắn Trái Đất sẽ khơng còn tồn tại nữa nếu bị hút vào lỗ đen Tuy nhiên, ngồi cách nuốt chửng chúng ta, vẫn còn rất nhiều cách để một lỗ đen huỷ diệt... mặt của lỗ đen, và tỉ lệ nghịch với khối lượng Vì thế lỗ đen lớn sẽ ít phát xạ hơn lỗ đen nhỏ Bức xạ Hawking phát ra ở vùng khơng gian ở bên ngồi chân trời sự kiện Cơ chế: ở vùng khơng gian đó, có sự thăng giáng lượng tử tạo ra cặp hạt-phản hạt Một số phản hạt bị rơi vào chân trời sự kiện, kết hợp với hạt trong lỗ đen làm lỗ đen bị bốc hơi, hạt còn lại khơng tìm được thằng còn lại để hủy trở thành bức... một lỗ đen 5.3 Nhân của thiên hà Cách thứ ba, những thiên hà hoạt động có những tính chất khác thường như có vạch quang phổ thu được khơng bình thường và sóng radio mạnh Lý thuyết và thực tế quan sát đã cho thấy sự hoạt động của những thiên hà này có thể giải thích bởi những lỗ đen siêu khối lượng Những lỗ đen siêu khối lượng với hàng Nhóm 2 Trang 14 Đề tài: Sự hình thành và phát triển của lỗ đen triệu... quỹ đạo hình tròn Với những lỗ đen khơng quay, mặt cầu photon có bán kính gấp 1,5 lần bán kính Schwarzschild Với những lỗ đen quay, nó có hai mặt cầu photon Khi quay, nó kéo lê khơng gian Mặt cầu photon gần lỗ đen hơn sẽ chuyển động quay cùng chiều và mặt cầu bên ngồi thì quay ngược lại Vận tốc góc của lỗ đen càng lớn thì khoảng cách giữa hai mặt cầu càng xa Nhóm 2 Trang 12 Đề tài: Sự hình thành và... triển của lỗ đen siêu khối lượng hay khối lượng trung bình Vấn đề này sẽ được trình bày kĩ hơn ở phần Quan sát lỗ đen 4.2 Bức xạ Hawking Năm 1974, Hawking cho thấy lỗ đen khơng hồn tồn đen mà có thể bức xạ nhiệt, hay còn gọi là bức xạ Hawking Bằng việc áp dụng lý thuyết trường lượng tử, ơng quả quyết rằng phổ của các hạt bức xạ của lỗ đen giống quang phổ của một vật đen tuyệt đối Vì vậy, lỗ đen sẽ bị... chân trời vì người quan sát nhìn vật thể tiến đến chân trời sự kiện tương tự như một chiếc máy bay khuất sau chân trời thường Diện tích chân trời sự kiện chỉ có thể tăng hoặc khơng đổi, chính vì vậy 2 lỗ đen có thể hợp vào nhau nhưng khơng thể có trường hợp một lỗ đen tách ra thành 2 lỗ đen nhỏ hơn 3.3 Bán kính Schwarzchild Khái niệm chân trời sự kiện có liên quan đến khái niệm bán kính Schwarzschild ... tới lỗ đen ngun thủy Lỗ đen ngun thủy kích thước Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen Lỗ đen ngun thủy góp phần hình thành nên thiên hà Tóm lại, ngun tắc chung để tạo thành lỗ đen. .. chạm tạo thành lỗ đen IMBH Thứ bà lỗ đen có khối lượng trung bình lỗ đen ngun thuỷ hình thành từ vụ nổ Big-bang Chỉ có khoảng lỗ đen loại tìm thấy 2.5 Lỗ đen siêu khối lượng Các lỗ đen có khối... uốn cong thành vùng kín (dạng khối cầu) Ngơi mơ tả trỏe thành lỗ đen vùng khơng gian khép kín gọi chân trời kiện lỗ đen Nhóm Trang Đề tài: Sự hình thành phát triển lỗ đen 2.3 Sự tồn lỗ đen vũ