ã lâu trước khi các nhà khoa học bắt đầu mơ tới khả năng bắt giữ, điều khiển và khai thác một hố đen cho nhu cầu của con người, họ đã mơ tới phát hiện và quan sát trực tiếp những thiên thể kỳ lạ này. Einstein, Schwarzschild, Kerr, và nhiều người khác khẳng định rằng hố đen có thể tồn tại, nhưng trong một thời gian dài họ không tìm được một bằng chứng thuyết phục nào chứng mình chúng có tồn tại.
Vấn đề hiển nhiên trong việc tìm kiếm hố đen là ánh sáng không thể thoát khỏi chúng làm chúng đen và vô hình trước mắt con người và các kính viễn vọng. Vì vậy, các nhà khoa học không thể chứng minh sự tồn tại của những thiên thể này bằng cách trực tiếp thông thường. Điều này buộc họ phải tìm ra một cách gián tiếp, chủ yếu là quan sát hoạt động của những ngôi sao, khí và vật chất khác nằm gần các hố đen. Tuy nhiên, tình cờ vị trí ban đầu của hố đen không phải là kết quả của việc nỗ lực tìm kiếm chúng. Thực tế chúng là một phần của quá trình loại trừ khi các nhà thiên văn học thử giải thích hoạt động của một số hiện tượng kỳ lạ được phát hiện ra vào nửa sau thế kỷ hai mươi.
Tia X Vũ Trụ
Một trong những khám phá quan trọng dẫn tới việc phát hiện ra hố đen là vũ trụ hầu như sống cùng với các tia X. Chúng là một dạng vô hình của bức xạ điện từ mang nhiều năng lượng và khả năng xuyên qua cao hơn ánh sáng thấy được. Phát hiện đầu tiên tại phòng thí nghiệm là vào năm 1895 do nhà vật lý người Đức Wilhelm Roentgen, tia X khá phổ biến đối với mọi người trong y học. Khi một kỹ thuật viên nhắm tia X tới cơ thể người, hầu hết tia sáng đi xuyển qua cơ thể và va đập tới đĩa ảnh, tạo ra tấm hình của phần nội tạng cơ thể người bệnh.
Trong những năm theo đuổi khám phá của Roentgen, khi tia X nhân tạo trở thành dụng cụ phổ biến trong y học, một vài nhà thiên văn học nghi rằng Mặt Trời cũng tạo ra bức xạ điện từ này một cách tự nhiên. Nhưng họ không có ý niệm gì về biển tia X tạo ra ngoài ngôi sao của
Phát Hiện HốĐen bằng Phương Pháp Gián Tiếp Don Nardo
chúng ta. Như Herbert Friedman nói, “Không hề có dấu hiệu gì về một điềm báo to lớn cho nền thiên văn học tương lai. Các nhà thiên văn học vẫn quên lãng tiềm năng của tia X thiên văn học.”30
Phần sáng trong bức tranh tia X này là bầu khí quyển bên ngoài của Mặt Trời, hay quang quyển, là những tia X phát ra từ khí cực nóng.
Xác nhận đầu tiền rằng Mặt Trời có tạo ra tia X đến vào năm 1948, khi các nhà khoa học Mỹ đặt dụng cụ dò tìm tên lửa của quân Đức trong Thế Chiến II. Mặc dù những dụng cụ này có phát hiện ra tia X Mặt Trời, họ cũng chỉ ra rằng Mặt Trời không phải là nguồn phát tia X mạnh; lượng tia X tạo ra chỉ bằng một phần ngàn ánh sáng thấy được
Phát Hiện HốĐen bằng Phương Pháp Gián Tiếp Don Nardo
do nó phát ra. Như vậy, các nhà khoa học cho rằng các ngôi sao nhìn chung không phải là nguồn phát tia X chính.
Sau đó, tháng Sáu 1962, các nhà khoa học Mỹ lại bắn một tên lửa mang theo dụng cụ được thiết kế để dò tìm các bức xạ đến từ bề mặt Mặt Trăng. Cuộc thí nghiệm không tìm thấy bức xạ nào từ Mặt Trăng. Nhưng nó lại tìm ra một nguồn tia X đến từ bên ngoài hệ Mặt Trời. Sau khi tên lửa xác nhận sự tồn tại của nguồn này và chỉ đến chòm sao Scorpius, con bọ cạp (scorpion). Các nhà khoa học đã đặt tên nó là Scorpius X-1, hay viết ngăn lại là Sco X-1.
Được phóng vào Tháng Sáu 1999, Chandra X-ray Observatory (đài quan sát tia X Chandra)
đã phát hiện ra hàng ngàn nguồn phát tia X chưa được biết trước đây.
Sau đó, nơi khác, có những nguồn tia X rất mạnh được phát hiện ra, đặc biệt là vào tháng Mười Hai 1970 năm đó người ta phóng một vệ tinh tia X tinh vi hơn. Vệ tinh này, tên Uhuru, và vài dụng cụ dò nhạy hơn được phóng sau đó, chứng tỏ rằng bầu trời đúng là đặc kín nguồn phát tia X; vài nhà khoa học bắt đầu đặt hiện tượng chưa được biết tới trước đâu là “tia X vũ trụ.”
Phát Hiện HốĐen bằng Phương Pháp Gián Tiếp Don Nardo
Các nhà thiên văn học mau chóng thấy được Sco X-1 và nhiều nguồn tia X tương tự, bao gồm cả pulsar trong Tinh Vân Con Cua, là những sao notron. Và họ xây dựng được một mô hình giải thích làm cách nào mà các sao notron trong các hệ sao đôi có thể phát ra tia X mạnh mẽ như vậy. John Gribbin giải thích rằng trong một hệ sao nhị phân (binary star), hai thiên thể, một bình thường, và một là sao notron siêu đặc, chúng
quay quanh nhau, kéo nhau bằng hấp dẫn của chúng…. Khí từ bầu khí quyển của sao lớn sẽ bị xé ra do tác động thủy triều và bị hút về phía sao nhỏ, nó sẽ tạo thành một cái đĩa vật chất quay vòng và tỏa nhiệt…. Ngôi sao nhỏ, đặc được bao bọc bởi khí cực nóng, hay plasma, bức xạ tia X… và liên tục được tiếp thêm khí mới từ ngôi sao lớn hơn.31
Thực tế những nguồn tia X mạnh này là những sao notron chỉ cho các nhà thiên văn học biết rằng những dòng lớn tia X thường liên quan tới các thiên thể siêu đặc. Dựa vào đó, ít nhất vài nhà khoa học không tham gia nhưng nghi ngờ rằng còn có một loại thiên thể siêu đặc khác--
như các hố đen còn là giả thuyết--có thể hé lộ sự hiện diện của mình bằng cách phát ra các tia X. Và thực tế, một nguồn tia X mạnh lần đầu vào những năm 1960 có vẻ là một ứng viên hố đen đầy hứa hẹn. Nằm ở chòm Cygnus, con thiên nga (swan), mang tên Cygnus X-1 hay viết tắt là Cyg X-1.
Như Sco X-1, Cyg X-1 thuộc một hệ sao nhị phân. Nhưng không giống trường hợp Sco X-1, thiên thể quay quanh sao bình thường trong Cyg X-1 hoàn toàn không phát ra một tia sáng thấy được nào cả. Hơn nữa, vụ nổ tia X từ Cyg X-1 có tần số phát đáng ngạc nhiên--khoảng một ngàn lần hoặc hơn trong một giây. Điều này nói cho các nhà thiên văn học biết rằng thiên thể bí ẩn kia phải rất nhỏ và rất chắc. Theo Friedman (người trong những những năm 1960 đã tiên đoán Sco X-1 là một sao notron):
Một ngôi sao không thể thay đổi độ sáng mất ít thời gian hơn ánh sáng [tia X hay những dạng khác của sóng điện t] đi hết đường kính của nó được…. Vì vậy, vì Cyg X-1 phát ra chùm sáng trong một phần ngàn giây, có nghĩa là vùng phát tia X không thể lớn hơn 300 kilomet [khoảng 186 dặm] được.32
Phát Hiện HốĐen bằng Phương Pháp Gián Tiếp Don Nardo
Một lý do khác mà các nhà khoa học cho rằng Cyg X-1 là một hố đen là khối lượng của nó lớn khủng khiếp đối với một kích thước nhỏ như vậy. Ngôi sao bình thường là một người khổng lồ với khối lượng khoảng ba mươi lần khối lượng Mặt Trời. Các nhà thiên văn học có thể nghiên cứu tính chất quỹ đạo của nó và từ đó tính ra khối lượng của người đồng hành vô hình kia. Học tính được nó khoảng chín lần khối lượng Mặt Trời, quá nặng đối với một sao notron, điều này đã mạnh mẽ chỉ ra rằng hệ Cyg X-1 đang ẩn giấu một hố đen.
Bức tranh cho thấy hên Cygnus X-1 trông như thể nào. Vật chất từ sao khổng lồ bị hút vào
đĩa bồi thêm của hốđen.
Bây giờ rõ ràng là Cyg X-1 tạo ra một vụ nổ tia X cực mạnh nhờ sự kết hợp của lực hấp dẫn cực mạnh của hố đen và khoảng cách gần giữa nó và ngôi sao đồng hành lớn hơn. Hố đen này gần ngôi sao kia hơn Sao Thủy và Mặt Trời. (Sao Thủy nằm cách Mặt Trời khoảng 36 ngàn dặm.) Một khoảng cách cực gần như vậy đã cho phép hấp dẫn của hố đen hút khí từ tầng ngoài của bạn đồng hành. Khi những xoáy khí này đi tới thiên thể đặc hơn, chúng trở thành một đĩa bồi thêm khổng lồ, quay cực nhanh và cực nóng quay khi vực bên ngoài chân trời sự kiện. Chậm nhưng chắc, những khí này bị kéo về phía chân trời sự kiện, nơi hấp dẫn bao la của hố xé nguyên tử của khí ra từng mảnh. Quá trình
Phát Hiện HốĐen bằng Phương Pháp Gián Tiếp Don Nardo
cực mạnh này giải phóng ra những vụ nổ tia X mạnh chỉ một lúc trước khi dòng vật chất biến mất mãi mãi đằng sau chân trời sự kiện. Trong những phút, ngày, và năm sau đó, tia X giải phóng ra du hành ra ngoài, cuối cùng tới Trái Đất, và cho các nhà khoa học biết vị trí của hố đen.
Vụ Nổ Tia Gamma Bí Ẩn
Hố đen cũng hé lộ sự hiện diện của mình bằng những vụ nổ tia gamma. Còn mạnh hơn cả tia X, tia gamma thực tế là bức xạ mạnh và khả năng xuyên thủng mạnh nhất trong thang điện từ. Như tia X, nếu đủ nhiều, tia gamma có thể giết chết các vật thể sống; đó là lý do các bác sỹ đôi khi dùng một lượng nhỏ, có kiểm soát tia gamma để phá hủy các khối u ung thư.
Cũng tương tự tia X, tia gamma thu hút sự chú ý của các nhà thiên văn vào những năm 1960. Dụng cụ dò tìm trên tên lửa của người Mỹ bắt đầu ghi nhận những vụ nổ tia gamma rất mạnh và kỳ lạ đến từ những vùng bất kỳ trên bầu trời. Các chùm điển hình tồn tại trong vài giây, mặc dù một số sáng lên và biến mất ít hơn một giây. Vì các vụ nổ hạt nhân giải phóng ra các tia gamma, nên ban đầu các nhà khoa học và lực lượng an ninh Mỹ lo rằng Liên Minh Xã Hội Chủ Nghĩa đang chỉ đạo các cuộc thử nghiệm hạt nhân bí mật bên ngoài tầng khí quyển Trái Đất.
Tuy nhiên, năm 1973, các nhà khoa học đã nhận ra các vụ nổ tia gamma (hay GRBs- gamma-ray bursts) là các hiện tượng tự nhiên xảy ra trong không gian sâu thắm. Một vụ nổ mới được phát hiện trung bình ít nhân một lần một tuần. Mặc dù GRBs khác nhau về cường độ, một số thì thật sự mạnh, gấp khoảng một nghìn tỷ tỷ lần Mặt Trời. Hay nói cách khác, một GRB lớn giải phóng ra lượng năng lượng trong 10 giây bằng Mặt Trời sáng trong 10 tỷ năm. Các nhà khoa học đã rất cố gắng giải thích cái gì có thể tạo ra vụ nổ lớn như vậy. Từ 1973 đến 1991, có một giả thuyết thông dụng là GRBs báo cho chúng ta một “động sao” (giống động đất) trên các sao notron; một số người cho rằng đó có thể là một hành tinh bướng bỉnh đâm và một sao notron giải phóng ra những vụ nổ tia gamma như vậy.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các nhà khoa học tính toán được rằng các tính chất vật lý của các vụ nổ tia gamma sẽ được giải
Phát Hiện HốĐen bằng Phương Pháp Gián Tiếp Don Nardo
thích tốt hơn là sản phẩm phụ của một hố đen lớn đang hoạt động. Vài kịch bản đã được đưa ra; vài trong số đó, mà cũng có thể là tất cả, có thể đang xảy ra không chỉ trong thiên hà của chúng ta, Dải Ngân Hà, mà còn trong hàng tỷ các thiên hà khác ngoài nó.