Hố đen trong vũ trụ

10/7/2015

 

HỐ ĐEN TRONG VŨ TRỤ

Trần-Đăng Hồng, PhD

 

Vào ngày 6/7/2015, các nhà thiên văn học thuộc Đại Học Durham (Anh quốc) khám phá 5 hố đen cực lớn (supermassive black holes) mà chúng đã ẩn trốn đằng sau nhiều lớp bụi và khí. Từ khám phá này, các nhà khoa học cho rằng có thể còn hàng triệu hố đen cực lớn khác còn ẩn trốn đâu đó trong vũ trụ mà chưa có kính viễn vọng nào đủ mạnh để nhận thấy.

Hình 1. Hố đen cực lớn

Mời xem video một hố đen nuốt chửng một ngôi sao:

http://www.nasa.gov/mission_pages/swift/bursts/devoured-star.html

Trước kia, dựa trên tính toán học các nhà thiên văn học đã tiên đoán có nhiều hố đen ở các vị trí được xác định rõ ràng trong vũ trụ, nhưng chưa biết hình dạng hố đen thật sự cho tới khi có viễn vọng kính kiểu mới NuSTAR vào năm 2012.

Năm hố đen này được kính viễn vọng xử dụng quang phổ hạch tâm (NuSTAR, Nuclear Spectroscopic Telescope Array) gắn trên đài quan sát của NASA bay trên quỹ đạo, máy này có khả năng nhận bắt được tia X có năng lượng cực kỳ mạnh phát ra từ một vật thể rất xa.

Các nhà khoa học thiên văn Đại học Durham hướng NuSTAR vào 9 dãi ngân hà,  tin tưởng là nơi có chứa các hố đen cực lớn đang hoạt động mạnh nhưng bị che khuất. Năm của chín ngân hà này có chứa hố đen cực lớn đang ẩn dấu mình bên trong lớp bụi và khí khổng lồ được tìm thấy. Đặc biệt các hố đen “quái vật” này đang trong thời kỳ hoạt động mảnh liệt, đang thu hút bụi và khí vào hố đen (Hình 2).

Tương tự, nhóm các nhà thiên văn Âu Châu xử dụng đài quan sát thiên văn vật lý AVO (Astrophysical Virtual Observatory) để đi tìm khoảng 30 hố đen cực lớn mà trước đây chúng trốn thoát được đài quan sát cổ điển vì chúng ẩn đằng sau những lớp bụi và khí khổng lồ.

 

Hình 2

Hình trái: Hình màu do Viễn Vọng kính NuSTAR gắn trên Hubble của NASA nhắm vào một trong 9 ngân hà để tìm hố đen ẩn trốn sau tầng bụi và khí.

Hình phải: Hình phát họa một hố đen cực lớn từ dữ kiện do NuSTAR cung cấp ngày 6/7/2015. Hố đen đang thu hút bụi và khí chung quanh. Trung tâm hố đen bi che phủ bởi lớp bụi dày và khí.

HỐ ĐEN LÀ GÌ?

Hố đen là vật thể kỳ lạ và mê hoặc nhất thấy ngoài vũ trụ. Đó là vật thể có tỉ trọng cực kỳ nặng, có sức hút trọng lực cực kỳ mạnh nên không có bất kỳ thứ gì bay thoát ra khỏi nó, ngay cả ánh sáng, vì vậy mắt ta hay viễn vọng kính cổ điển không thấy nó được. Nhà bác học Albert Einstein, qua tính toán năng lượng của Thuyết Tương Đối (general theory of relativity), tiên đoán là có sự hiện hữu hố đen từ 1916, và được đặt tên là “hố đen” bởi nhà thiên văn Hoa Kỳ John Wheeler năm 1967, và hố đen đầu tiên được khám phá vào năm 1971.  

LÀM THẾ NÀO NHÌN THẤY HỐ ĐEN?

Mặc dầu được gọi là “hố” hay “lỗ” (hole), kỳ thật nó không phải trống rỗng, mà là một vật thể rắn. Vì chúng không phát ra ánh sáng như các tinh tú trong vũ trụ đen ngòm, tương tự như một cục than đen nhỏ treo trong phòng tối om,  nên mắt thường hay viễn vọng kính thông thường không thấy được.

Hình 3. Các tinh tú bay quanh một hố đen

 

Có 2 cách gián tiếp nhận thấy có sự hiện diện hố đen.

Cách thứ nhất dựa vào cách tính toán thiên văn học, dựa vào ảnh hưởng của lực hấp dẫn (sức hút, gravity) giữa các thiên thể. Ví dụ trong thái dương hệ, các hành tinh bay quanh mặt trời, vì lực hấp dẫn của mặt trời lớn hơn các hành tinh. Tương tự các vệ tinh thì bay quanh hành tinh, như mặt trăng bay quanh trái đất. Có điều khác là mặt trời phát ra ánh sáng, và các hành tinh, vệ tinh phản chiếu lại ánh sáng mặt trời, nên mắt ta thấy được. Ngược lại, hố đen không phát ra ánh sáng nên không thấy bằng mắt được, tuy nhiên lực hấp dẫn của hố đen vô cùng mảnh liệt nên có ảnh hưởng đến các thiên thể chung quanh. Ví dụ, ở trung tâm dãi ngân hà, các đài thiên văn từ trái đất nhận thấy có nhiều tinh tú (ngôi sao) bay quanh một điểm trống rỗng không có gì hết, chính điểm vô hình này có lực hấp dẫn cực lớn, đó chính là hố đen (Hình 3). Các nhà toán học thiên văn có thể tính toán khối lượng và khoảng cách của hố đen (năm ánh sáng). Ngoài ra, một tinh tú bay trong vũ trụ có vận tốc cố định. Tuy nhiên khi đến gần một vị trí vô hình (tức hố đen) thì tinh tú đó gia tăng vận tốc bất bình thường và khi bay vượt quá điểm vô hình thì trở lại vận tốc cố định bình thường. Dựa trên vận tốc của một tinh tú quan sát từ một viễn vọng kính đặt ở mặt đất mà nhà thiên văn học biết vị trí của hố đen.

Cách thứ hai là nhìn thấy gián tiếp hố đen (ảnh ảo) nhờ các phân tử khí và bụi quay cuồn rất nhanh chung quanh hố đen do lực hấp dẫn vô cùng mạnh, phân tử khí bị đun nóng và phát ra tia-X. Tuy nhiên tia X không xuyên qua khí quyển để tới mặt đất. Vì vậy, chỉ có viễn vọng kính có gắn máy nhận tia X đặt trên vệ tinh nhân tạo bay trên quỷ đạo không gian mới nhận được tia X, rồi phát họa lại hình ảnh hố đen và truyền xuống trái đất. Chẳng hạn, trạm quan sát đặt trên phi thuyền Constellation của NASA có 4 viễn vọng kính phân tích tia X hoạt động cùng một lúc phóng đại tia X 100 lần mạnh hơn.

Mời xem video: http://www.space.com/10112-blackhole-hubble.html

 

PHÂN LOẠI HỐ ĐEN.

Có 3 loại hố đen: hố đen tinh tú (stellar black holes), hố đen cực lớn (supermassive black holes) và hố đen trung gian (intermediate black holes).

Hố đen tinh tú có kích thước nhỏ và là vật thể chết. 

Một ngôi sao (tinh tú) trẻ chiếu sáng rực nhờ phản ửng thiêu đốt hạt nhân nên tạo ra năng lượng và một lực hướng ngoại, đồng thời lực hấp dẫn (gravity) hướng nội làm cân bằng, sinh ra khối lượng của tinh tú. Khi một ngôi sao thiêu đốt hết năng lượng của nó thì sẽ nỗ tung, văng mảnh nhỏ vào vũ trụ, chỉ còn khối cốt lõi (core) nguội lạnh. Vì không còn lực hướng ngoại làm đối trọng, lực hấp dẫn làm co rút nén chặt khối lượng cốt lõi đến triệt tiêu, lực hấp dẫn gia tăng đến độ không có vật chất gì có thể thoát ra ngoài, ngay cả ánh sáng cũng bị nhốt trong đó.

Đối với các ngôi sao nhỏ, khoảng dưới 3 lần khối lượng của mặt trời, cốt lõi của sao trở thành “sao trung hòa” (neutron stars)  hay “sao lùn trắng” (white dwarf). Vì lõi của sao nhỏ, lực hấp dẫn còn yếu nên chưa đủ sức nhốt ánh sáng, một số ít ánh sáng thoát ra ngoài được, nên ngôi sao chết còn thấy lờ mờ.

Nhưng nếu sao có khối lượng lớn hơn 3 lần khối lượng mặt trời, khi chết nó biến thành “hố đen tinh tú”. Hố đen tuy nhỏ nhưng cực kỳ nén chặt nên có tỉ trọng cực lớn. Bởi vì hố đen tinh tú có khối lượng khoảng 10 tới 24 lần lớn hơn khối lượng mặt trời, mà lại nén chặt trong một thể tích nhỏ chỉ bằng thành phố New York, nên có lực hấp dẫn cực kỳ lớn, không có vật gì có thể thoát ra khỏi nó ngay cả ánh sáng, ngược lại nó thu hút tất cả vật thể chung quanh. Hố đen thu hút bụi và khí gần nó trong dãi ngân hà nên tăng trưởng lớn dần. Theo Trung Tâm Vật lý Thiên Văn của Harvard-Smithsonian thì dãi Ngân hà của chúng ta có vài trăm triệu “hố đen tinh tú”.

Hố đen cực lớn là các hố đen có khối lượng hàng triệu hay hàng tỉ lần lớn hơn khối lượng mặt trời nhưng có đường bán kính nhỏ, tương đương với các ngôi sao gần nhất trái đất. Chẳng hạn, một hố đen có khối lượng 1 triệu lần lớn hơn khối lượng mặt trời thì có thể tích chỉ 4 lần lớn hơn mặt trời. Các hố đen cực lớn này được cho là nằm ở trung tâm mỗi dãi ngân hà, kể cả dãi ngân hà Milky way của chúng ta. Một khi thành hình, hố đen cực lớn thâ góp tất cả bụi và khí chung quanh, mà các thứ này thì rất nhiều ở trung tâm dãi ngân hà, nên tăng trưởng càng khổng lồ hơn.

Hố đen cực lớn có thể là do hàng trăm hay hàng ngàn hố đen nhỏ xáp nhập vào nhau. Những đám mây khí khổng lồ cũng xáp nhập vào nhau làm gia tăng khối lượng. Ngoài ra, các hố đen tinh tú khi chết cũng tụ họp lại nhau thành hố đen cực lớn.

 

Hình 4. Hố đen mới thành hình do Spitzer Space Telescope phát họa

Hố đen trung gian. Trước đây các nhà thiên văn học cho rằng chỉ có 2 loại hố đen, hố đen cực lớn và hố đen tinh tú nhỏ, nhưng mới đây, 2014, các nhà thiên văn khám phá thêm loại hố đen trung bình, có khối lượng từ vài trăm đến vài trăm ngàn lần lớn hơn khối lượng mặt trời. Hố đen trung gian được thành lập khi các tinh tú va chạm nhau.

 

Hình 5. Hố đen trung gian NGC-2276-3c

Một hố đen có khối lượng trung gian mang tên NGC-2278-3c được khám phá năm 2014, nằm trong một cánh của dãi Ngân hà NGC-2276 hình trôn ốc, cách xa trái đất khoảng 100 triệu năm ánh sáng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH

5 'monster' black holes discovered, millions more may be hidden, http://rt.com/news/271846-black-holes-space-discovery/

NuSTAR Stares Deep into Hidden Lairs of Black Holes. 6/7/2015 http://www.nustar.caltech.edu/news/nustar150706

Nola Taylor Redd (April 09, 2015). Black Holes: Facts, Theory & Definition. http://www.space.com/15421-black-holes-facts-formation-discovery-sdcmp.html

Reading, 7/2015