Nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild, sinh ra vào năm 1973, đã đóng góp chính cho sự hiểu biết về các thiên thể siêu đặc và tính chất của chúng đối với không gian và thời gia. Ông trở thành giám đốc Đài Quan Sát Vật Lý Học Thiên Thểở Potsdam năm 1909. Năm 1915, khi phục vụ cho đất nước trong Thế Chiến I, ông nghe nói đến công trình của Einstein về thuyết tương đối rộng. Schwarzschild liên lạc với Einstein và liên tục thông tin về cố gắng của mình về việc giải thích dạng hình học của không thời gian xung quanh một thiên thể siêu đặc ở trạng thái một điểm, hay còn gọi là điểm kỳ
dị. Trong số những khám phá từ phương trình toán học của Schwarschild là điểm kỳ dị
có thể cách chân trời sự kiện một khoảng xác định, khoảng cách mà sau này các nhà khoa họ đã đặc tên là bán kính Schwarzschild để vinh danh ông. Đáng tiếc, ông mắc một căn bệnh ngoài dai trong quân ngũ và mất. Eisten trình bày ý tưởng chấn động của bạn mình cho hội đồng khoa học chỉ hai tháng trước khi Schwarzschild mất vào tháng năm 1916 ở tuổi bốn hai.
Phần cốt yếu của kịch bản hủy diệt này là, trên đường đi vào hố đen, vật chất sẽ đi qua cái gọi là “điểm không quay lại,” các nhà khoa học gọi nó là chân trời sự kiện. Khi vật chất còn ở ngoài chân trời sự kiện, nó vẫn còn cơ hội thoát thân. Tuy nhiên, một khi đã vượt qua chân trời sự kiện, nó sẽ biến mất trong giếng hấp dẫn của hố đen. Khoảng cách từ tâm của một hố đen, gọi là điểm kỳ dị, tới chân trời sự kiện là bán kính Schwarzschild, được đặt theo tên nhà thiên văn học người Đức Karl Schwarzschild, người phát minh ra nó vào năm 1915.
Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của HốĐen Don Nardo
Các phương trình toán học cho thấy chắc chắn bán kính này thay đổi tùy theo khối lượng của hố đen. Hố càng nặng, bán kính Schwarzschild càng dài, và ngược lại, hố có khối lượng càng nhỏ, bán kính càng ngắn. Một hố đen có khối lượng Mặt Trời sẽ có bán kính Schwarzschild bằng 1,86 dặm; và một hố đen có khối lượng bằng mười lần khối lượng Mặt Trời sẽ có bán kính khoảng 20 dặm. Vì vậy, trong trường hợp thứ hai, điểm không quay lại cho bất cứ vật chất nào đi đến gần hố đen nằm cách điểm kỳ dị, hay tâm, 20 dặm.
Đặt sự Tự Quay lên Hố Đen
Karl Schwarzschild trình bày phương trình của mình đối với một hố đen được giả thuyết là không tự quay quanh trục. Vì vậy, các nhà khoa họ họi một hố đen giả thuyết không quay là hố đen Schwarzshild. Kiểu hố này khá tốt khi dùng để tính toán khoảng cách từ điểm kỳ dị tới chân trời sự kiện. Nhưng nó có chính xác khi biểu diễn trạng thái của một hố đen thực sự không? Hầu hết các nhà vật lý cho là không. Lý do là vì họ đã biết rằng tất cả các thiên thể quan sát được trong vũ trụ đều vừa quay quanh trục và tạo ra một tính chất đo đạc được là momen động lượng.
Momen động lượng là xu hướng của một vật thể đang quay tiếp tục giữ sự tự quay đó. Nếu vật thể đó lớn hơn hay nhỏ đi, năng lượng quay ban đầu của nó sẽ vấn được bảo toàn nhờ điều chỉnh vận tốc quay cho thích hợp. Ví dụ, khi một vận động viên trược băng đang xoay tròn mà dang rộng tay ra, bằng cách làm cho cơ thể lớn ra, vận tốc quay của người đó cũng giảm xuống; ngược lại, khi người đó ép tay vào người, vận tốc quay sẽ tăng lên.
Hiệu ứng này có thể thấy được khi một sao lớn suy sập thành sao notron. Ngôi sao ban đầu tự quay với vận tốc xác định, có lẽ là một vòng trên hai mươi hay ba mươi ngày. Sau khi suy sập, momen động lượng của nó được chuyển sang sao notron nhỏ hơn nhiều, bây giờ nó quay nhiều vòng trên giây. Điều này là bằng chúng cho thấy hố đen cũng đi theo cảnh tương tự. Isaac Asmov tóm tắt như sau:
Khi một ngôi sao suy sập, để được như vậy, vận tốc tự quay phải tăng lên. Sự suy sập càng nhiều, vận tốc tự quay của nó càng lớn.
Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của HốĐen Don Nardo
Một sao notron mới có thể quay hàng ngàn vòng trên giây. Hố đen phải quay nhiều hơn vậy. Không có cách gì chối cãi được điều đó. Chúng ta có thể nói mọi hố đen đều có khối lượng và momen động lượng.24
Như vậy, cái chúng ta cần sau khi Schwarzschild công bố tính toán của mình cho các hố đen không quay là một đáp án toán học biểu diễn dùng được cho các hố đen quay, vì người ta tin rằng mọi hố đen đều quay. Mục tiêu này đạt được vào năm 1963 nhờ nhà thiên văn học New Zealand tên Roy P. Kerr, sau đó ông làm việc cho Trường đại học Texas. Kể từ đó, để vinh danh Kerr, các nhà khoa học thường gọi các hố đen quay là hố đen Kerr. Sự xác nhận rõ ràng cho các thiên thể này đến vào Tháng Tám 2001, khi các nhà khoa học ở Goddard Space Flight Center (Trung tâm du hành không gian Goddard-ND) (ở Greenbelt, Maryland) của NASA đã phát hiện ra một hố đen quay nằm các Trái Đất khoảng mười ngàn năm ánh sáng. (Một năm ánh sáng là khoảng cách ánh sáng bay trong một năm, vào khoảng 6 nghìn tỷ dặm.)
Đĩa Bồi Thêm và Các Dòng Khí
Tính toán của Kerr thừa nhận điểm kỳ dị, chân trời sự kiện, và bán kính Schwarzschild, và các tính chất khác của hố đen rút ra từ tính toán của Schwarzschild. Tuy nhiên, tốc độ quay cực nhanh vốn có trong một hố đen Kerr tạo ra một tình cảnh phức tạp và năng động hơn.
Đầu tiên, điểm kỳ dị không phải là một điểm duy nhất, mà là một vùng không gian có dạng như một cái nhẫn. Thứ hai, chân trời sự kiện, tạo ra vành đai quanh hố đen và vùng không gian ban đầu bên trong nó, quay cùng hướng với sự tự quay của điểm kỳ dị. Và khi di chuyển, nó kéo một vùng không gian theo nó. Kip Thorne giải thích:
Sự tự quay của hố kéo không gian xung quanh nó [có dạng như
vòng của một cái kèn trumpet] và buộc nó phải quay theo như dạng cơn lốc…. Cách xa tâm lốc, không khí quay chậm, và tương tự, cách xa chân trời sự kiện của hố, không gian quay chậm. Gần tâm của lốc không khí quay nhanh, và cũng tương tự, gần chân trời sự kiện không gian quay nhanh. Tại chân trời sự kiện, không gian bị khóa
Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của HốĐen Don Nardo
chặt với chân trời. Nó quay với vận tốc đúng bằng vận tốc quay của chân trời.25
Hình vẽ này biểu diễn đĩa bồi thêm và dòng khí của một hốđen. Các dòng khí có thể hình thành do một lực điện từ cực mạnh.
Cùng lúc đó, bất cứ vật chất nào nằm ở vùng không gian xoay đó cũng bị kéo di chuyển theo. Vật chất quay bên ngoài hố đen và tạo ra dạng đĩa mỏng vật chất có hình dáng tương tự những mảnh đá và băng tạo ra vành khuyên mỏng quanh Sao Thổ. Các nhà khoa học gọi cái đĩa xoay tròn này là đĩa bồi thêm (accrection disk).
Vật chất trong đĩa bồi thêm đóng vai trò quan trọng trong một tác động khác của sự tự quay của hố đen -- sự hình thành của hai dòng khí nhỏ nhưng mạnh bị bắn ra ở một số hố đen. (Trong thực tế, các dòng khí không phát ra từ tâm hố đen; thay vào đó, chúng khởi nguồn từ cái đĩa, bên ngoài chân trời sự kiện.)
Các nhà thiên văn học đưa ra một số giải thích đáng tin để giải thích cho sự hình thành các dòng khí này. Một trong số đó là áp suất khủng
Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của HốĐen Don Nardo
khiếp do các khí quay quá nhanh trong đĩa bồi thêm tạo ra hai xoáy tương tự xoáy nước hình thành khi nước cuộn qua lỗ thoát nước. Những xoáy này bắn ra dòng khí nóng hướng ra ngoài với vận tốc cao và ngược hướng nhau.
Thorne đưa ra một khả năng khác cho sự hình thành hai dòng khí này. Giả thuyết này có liên quay tới một từ trường cực mạnh sinh ra do chuyển động quay của hố đen:
Các đường sức từ [một đường vô hình của từ tính] hướng vào trong
đĩa [bồi thêm] và đường hướng ra ngoài sẽ bị buộc, do chuyển động quay của cái đĩa, quay vòng quanh…. Lực điện sẽ kéo khí nóng (plasma) đi theo đường sức từ đang xoay vòng kia…. Khi đường sức từ xoay, lực ly tâm [lực kéo ra ngoài] sẽ ném plasma ra ngoài theo chúng và tạo ra hai cột đã bị từ hóa, một hướng ra ngoài và lên trên, một hướng ra ngoài và đi xuống.26
Tác Động của Thời Gian Cong
Các nhà khoa học cũng đồng thời xác định khi hố đen, gồm các hố đen quay, tương tác với không gian bình thường, chúng cùng tạo ra một sự bóp méo thời gian kỳ lạ. Đó là, thời gian trôi qua đối với một người quan sát bên ngoài hố nhìn nó sẽ khác với thời gian của người quan sát bên trong nó nhìn ra ngoài.
Giả sử một ví dụ của hai phi hành gia trong một con tàu vũ trụ đang quay quanh một hố đen ở khoảng cách an toàn. Một rời tàu và đẩy mình tới hố, nó sẽ hút anh ta vào trong. Tại điểm quan sát của bạn anh nhìn từ trên tàu, anh ta bị cuốn vào càng ngày càng chậm và thậm chí đứng yên khi anh quay quanh chân trời sự kiện. Anh quay vòng quanh, tới gần chân trời sự kiện phải mất hàng năm, hay thậm chí là mãi mãi; nhưng anh không tỏ vẻ sẽ bay vào trong hố. Tuy nhiên, khi nhìn từ vị trí của nhà du hành khi đên chân trời sự kiện; anh sẽ cảm thấy mình đi từ tàu tới chân trời và đi qua nó để vào trong hố đen chỉ mất vài phút. Nếu loài người có thể phát triển đến kỹ thuật đủ tiên tiến, thời gian chênh lệch này gọi là thời gian cong, có thể được sử dụng để cho con ngời đưa chính mình đi tới tương lại nhanh hơn. (Cần nhấn mạnh là
Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của HốĐen Don Nardo
điều này có thể làm được bên ngoài hố đen và không liên quan tới việc không gian và thời gian cong kỳ lạ hơn có thể tồn tại trong hố đen.) Gribbin giải thích làm thế nào cuộc hành trình như vậy có thể xảy ra. Một nhóm các nhà phi hành gia tạm biệt các nhà quan sát trong trạm không gian cách xa một hố đen và lại một con tàu hướng tới chân trời sự kiện của hố đen. “Các phi hành gia ở gần chân trời sự kiện càng lâu, và càng gần nó,” Gribbin nói,
thì ảnh hưởng sẽ càng mạnh. Bạn không cần một tên lửa cực mạnh
để thắng được ảnh hưởng, vì các phi hành gia có thể dùng lực đẩy chính xác, trong khoảng thời gian ngắn bằng tên lửa để đưa tày vũ
trụ rơi vào một quỹ đạo mở xuống vùng không thời gian cong, để
các nhà quan sát lại phía sau… Tàu vũ trụ đi men qua… được tăng tốc bởi hấp dẫn của hố đen đến điểm tiếp cận gần nhất. Sau đó, quay vòng quanh cái hố rất gấp… và leo trở lại ra ngoài, bây giờ bị
hãm lại do hấp dẫn. Tại điểm cách xa hố nhất, phi hành gia có thể
khởi động tên lửa lại trong thời gian ngắn, để đưa tàu vũ trụ quay trở lại trạm không gian của các nhà quan sát, bọn họ đang sẵn sàng
để so sánh thời gian.27
Khi các phi hành gia và nhà quan sát so sánh đồng hồ, họ sẽ thấy sự khác biệt rõ rằng. Trong khi các phi hành gia cảm thấy hành trình của mình chỉ mất vài giờ, đồng hồ của các nhà quan sát sẽ gi nhận đã vài tuần hay vài tháng trôi qua. Nếu các phi hành gia cẩn thận chọn quỹ đạo chính xác và đi vòng quanh chân trời sự kiện, họ sẽ có thể vượt qua hàng tá, hàng trăm, hay thậm chí hàng ngàn năm. Tuy nhiên, họ có thể không trở lại được điểm phát vì ảnh hưởng của thời gian cong chỉ hoạt động trên một hướng -- đi tới (ít nhất là trong không gian thông thường). Vì vậy, chuyến du hàng càng dài, thì những nhà quan sát sẽ già và chết đi trong khi các phi hành gia đi xa; vì vậy mỗi lần các nhà du hành quay lại trạm không gian, họ sẽ gặp nhóm quan sát mới.
Khai Thác Năng Lượng của Hố Đen
Đi vượt thời gian bằng cách sử dụng sự bẻ cong bất thường của không thời gian tạo ra ở gần chân trời sự kiện có thể trở thành hiện thực. Tuy nhiên công việc này có thể nguy hiểm và kết quả không thể báo trước và ít giá trị. Vì vậy hầu hết mọi người trong tương lai có thể
Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của HốĐen Don Nardo
cảm thấy rằng sẽ có ý nghĩa hơn khi khai thác những tính chất đặc biệt của hố đen bằng những cách thích hợp hơn.
Thực tế, hố đen tạo ra một lượng năng lượng thô khổng lồ. Và chắc chắn sẽ rất có lợi cho con người khi khai thác một ít từ năng lượng đó, bằng cách có thể chuyển sang điện năng cho nhà cửa, công sở, các công trình công cộng, và cả xe và tàu nữa. Một số các nhà khoa học tin rằng mục tiêu đó sẽ trở thành hiện thực trong tương lai. Phải thừa nhận rằng còn có rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần giải quyết trước khi con người có thể điều khiển và khai thác những những nhà máy điện thiên thể này. Nhưng rốt cuộc, chỉ một thế kỷ trước thì tàu con thoi, vệ tinh nhân tạo, năng lượng hạt nhân, tivi, máy tính, và Internet, tất cả mọi thứ cần cho phát triển công nghệ mạnh mẽ đều không tồn tại.
Khai thác năng lượng hố đen sẽ tận dụng nguyên tắc cơ bản tương tự trong những cách sản xuất năng lượng hiện tại. Cụ thể, khi bất cứ nhiên liệu nào bị đốt cháy hay phá hủy, một phần khối lượng sẽ chuyển sang năng lượng, con người có thể khai thác được. Khi con người đốt dầu hay than, chỉ có 1 phần trăm khối lượng nhiên liệu được chuyển sang năng lượng. Rõ ràng, điều này không thật hiệu quả và tạo ra rất nhiều bụi và các chất thải khác làm ô nhiễm môi trường. Mỗi phản ứng hạt nhân, như trong các nhà máy điện hạt nhân, chuyển chỉ 2 đến 3 phần trăm khối lượng của chúng thành năng lượng. Ngược lại, khi vật chất bị nuốt qua chân trời sự kiện, trên 30 phần trăm khối lượng của chúng sẽ được chuyển thành năng lượng. Theo lý thuyết, người ta có thể đổ nhiên liệu vào hố đen bằng cách bắn tiểu hành tinh và các mảnh vụ khác vào hố, phá hủy chúng và sau đó khai thác năng lượng. Nếu con người có thể tìm ra một cách nào đó để hấp thu năng lượng này, bằng cách lắp đặt một hệ thống thu năng lượng khổng lồ quanh hố, Trái Đất có thể được cung cấp một lượng năng lượng gần như vô tận.
Ở mức cao hơn, với những kỹ thuật tiên tiến hơn, người ta còn có thể tạo ra hố đen. Như John Taylor giải thích, việc này có thể chuyển biến việc biến khối lượng thành năng lượng cao hơn 30 phần trăm:
Chúng ta có thể thấy trước được một xã hội cực kỳ cao cấp mà có thể khai thác hố đen. Để làm được việc này, họ sẽ rải hydro hay heli khắp một vùng nào đó của một thiên hà, hoặc tập trung chúng lại, nhờ vậy các ngôi sao lớn sẽ hình thành nhanh chóng. Chúng sẽ được
Tính Chất và Ứng Dụng Tiềm Tàng của HốĐen Don Nardo
dùng làm nhà máy năng lượng trong suốt quá trình phản ứng phản
ứng hạt nhân của mình, và khi sập thành hố đen, người ta có thể
thu thập năng lượng của siêu sao mới giải phóng ra trong thời gian