Làm cách nào để tính toán có bao nhiêu lỗ đen trong vũ trụ?

Các lỗ đen già hơn nhiều vật thể trong vũ trụ, và số lượng của chúng cũng rất lớn. Nguồn gốc và sự hình thành của chúng nói lên quá khứ và tương lai của vũ trụ. Nếu Stephen Hawking nhìn thấy những tiến bộ nghiên cứu liên quan đến lỗ đen trong lĩnh vực khoa học ngày nay, ông ấy sẽ rất vui mừng. Ước mơ và tầm nhìn của anh ấy không chỉ là tìm hiểu chức năng tổng thể của các lỗ đen mà còn là thực hiện các quan sát thực tế về các lỗ đen.

Rốt cuộc, Hawking không chỉ xác định lại những giả thiết trước đây về lỗ đen mà còn đưa ra cơ sở nhất định cho những phỏng đoán thuần túy ban đầu xung quanh lỗ đen. Dựa trên cơ sở nghiên cứu của Hawking, các nhà vật lý ngày nay có thể đạt được một loạt tiến bộ đáng kể. Bản thân từ "lỗ đen" có thể kích hoạt một loạt liên tưởng trong tâm trí bạn, khiến bạn nghĩ rằng đây là một thiên thể chết chóc có thể mang đến những thảm họa tiềm tàng. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa thể đánh giá hết vẻ đẹp và sức mạnh thực sự của lỗ đen. 

Hố đen là gì?

Lỗ đen hay hố đen thường dùng để chỉ một vùng trong không gian vũ trụ nơi lực hấp dẫn rất lớn và vật chất, bức xạ hoặc thậm chí ánh sáng khó có thể thoát ra từ bên trong lỗ đen. Vì điều này, chúng ta không thể nhìn thấy chúng trực tiếp.

Nguyên nhân hình thành phổ biến nhất của lỗ đen là cái chết của các vì sao. Do đó, mặc dù không thể nhìn thấy lỗ đen nhưng chúng ta có thể sử dụng những kính thiên văn rất tân tiến để quan sát cấu trúc và hành vi của các ngôi sao gần lỗ đen. Khi những ngôi sao này tiếp cận lỗ đen, chúng sẽ có những biến động bất thường.

Thành phần của lỗ đen

Trước hết, chúng ta phải hiểu “chân trời sự kiện” là gì. Đây là một ranh giới cong giữa thời gian và không gian, và nó cũng có thể được coi là ranh giới của một lỗ đen. Đường chân trời sự kiện của một lỗ đen quay được chia thành đường chân trời bên ngoài và đường chân trời bên trong; lỗ đen không quay còn được gọi là lỗ đen Schwarzschild, và đường chân trời bên trong và bên ngoài trùng nhau. Khi vượt qua chân trời sự kiện, lỗ đen có thể chuyển đổi một cách hiệu quả khối lượng vật chất rơi vào nó thành năng lượng. Khái niệm chân trời sự kiện lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà triết học tự nhiên người Anh John Michel vào thế kỷ 18, và sau đó được Wolfgang Lindler xác định như một thuật ngữ đặc biệt.

Một khái niệm thú vị khác về lỗ đen là "điểm kỳ dị", tức là điểm tập trung toàn bộ khối lượng của lỗ đen trong không gian và thời gian. Tại thời điểm này, vật chất bị nén thành những điểm rất nhỏ với mật độ cực lớn và lực hút mạnh vào trong. Theo thuyết tương đối rộng, chừng nào một lỗ đen Schwarzschild không quay được hình thành, thì vật chất trong chân trời sự kiện của nó chắc chắn sẽ sụp đổ dưới tác động của lực hấp dẫn, gọi là một điểm có mật độ vô hạn, tức là điểm kỳ dị. 

Các lỗ đen được hình thành như thế nào? Kích thước của lỗ đen có thể lớn như thế nào?

Mặc dù hầu hết các nhà khoa học tin rằng các lỗ đen đầu tiên xuất hiện khi vũ trụ mới bắt đầu mở rộng, các lỗ đen sau này được hình thành khi lõi của các ngôi sao siêu lớn sụp đổ. Tuy nhiên, các lỗ đen siêu lớn lại được cho là đã hình thành cùng lúc với các thiên hà của chúng.

Hầu hết các lỗ đen (nếu không phải tất cả) đều có một điểm chung, và đó là con đường mà chúng đi sau cái chết của ngôi sao mẹ. Khi năng lượng của ngôi sao cạn kiệt, quá trình đầu tiên xảy ra là chuyển hydro thành heli, sau đó khi hết hydro, heli tiếp tục bị đốt cháy và chuyển hóa thành các nguyên tố nặng hơn. Do khối lượng lớn của lõi ngôi sao, quá trình sụp đổ có thể diễn ra không ngừng, cuối cùng hình thành một lỗ đen.

Một số lỗ đen (lỗ đen thu nhỏ) chỉ nhỏ bằng một nguyên tử, trong khi những lỗ khác lại khổng lồ đến mức có thể nuốt chửng cả một thiên hà chỉ trong một lần và có thể tập hợp khoảng 1 triệu ngôi sao lại với nhau.

Làm thế nào để chúng ta xác định vị trí các lỗ đen?

Câu hỏi này thoạt nghe có vẻ vô lý, một số người sẽ nói, nếu ánh sáng không thể thoát ra khỏi lỗ đen, thì làm sao chúng ta có thể xác định được vị trí của lỗ đen? Tuy nhiên, bằng cách quan sát kỹ các đặc điểm của lỗ đen, các nhà khoa học có một số cách để định vị chính xác chúng ở khoảng cách xa.

Phương pháp đầu tiên là chú ý đến các hiệu ứng hấp dẫn của các lỗ đen. Bất kỳ lỗ đen nào cũng sẽ khiến các thực thể gần đó tiếp cận nó và bao quanh lỗ đen, cuối cùng rơi vào bên trong. Phương pháp này tuy nghe có vẻ đơn giản nhưng trên thực tế nó lại phụ thuộc nhiều vào may rủi. Nhiều hiện tượng khác có ảnh hưởng tương tự đến các ngôi sao và hành tinh, vì vậy đây chỉ là một phương pháp thực nghiệm.

Phương pháp thứ hai liên quan đến việc tìm kiếm các tín hiệu tia X có thể có. Khi vật chất rơi vào hố đen, nó sẽ tụ lại thành một cấu trúc vòng dày đặc, ngay chân trời sự kiện. Trong một số trường hợp, năng lượng cực cao sẽ được chuyển hóa thành bức xạ và giải phóng, khiến người ta có thể tìm thấy những vật khổng lồ này trong vũ trụ.

Có bao nhiêu lỗ đen trong vũ trụ?

Mật độ của một lỗ đen sẽ thay đổi theo những thay đổi về đặc tính không gian, chẳng hạn như loại thiên hà và các loại sao được tìm thấy trong thiên hà, v.v. Để ước tính số lượng lỗ đen trong một thiên hà, chúng ta cần thực hiện các quan sát sâu sắc về sự hình thành của bụi và khí. Hành vi của hai lỗ đen liền kề phần lớn bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của nhau, do đó giới hạn khoảng cách giữa hai lỗ đen.

Các nhà khoa học ước tính rằng có khoảng 100 nghìn tỷ lỗ đen trong vũ trụ có thể quan sát được trong phạm vi mà chúng ta có thể cảm nhận được. Con số này trông có vẻ lớn, nhưng trên thực tế mới chỉ có 100 đến 200 lỗ đen được định vị chính xác.

Ví dụ, các nhà khoa học đã phát hiện ra sự tồn tại của các lỗ đen siêu lớn và chuẩn tinh như 1ES 2344 + 514, Fornax A; HLX-1 hiện được biết đến là nguồn tia X siêu sáng có độ sáng cao nhất và được coi là một lỗ đen khối lượng trung bình; ngoài ra, các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra các lỗ đen dạng sao như GX 339-4/ V821 Ara.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng đề xuất khái niệm hệ thống lỗ đen, dùng để chỉ sự tồn tại của nhiều hơn một lỗ đen trong một phạm vi nhất định. Các hệ thống này có các thuộc tính duy nhất, có thể là từ lỗ đen lớn nhất trong hệ thống hoặc là kết quả tổng hợp của tất cả các thuộc tính của lỗ đen.

Làm thế nào để chúng ta ước tính số lượng lỗ đen?

Để ước tính số lượng lỗ đen gần đúng trong vũ trụ, bước đầu tiên là phân chia các khu vực dựa trên các đặc điểm nhất định (chẳng hạn như khoảng cách gần với một thiên hà hoặc ngôi sao). Bằng cách quan sát cùng một tập hợp các thuộc tính và áp dụng chúng vào các điểm khác nhau trong cùng một khu vực, có thể ước tính số lượng lỗ đen trung bình, có thể có sai số từ 10 đến 20 lỗ đen.

Bước tiếp theo là tìm kiếm những điểm tương đồng giữa nhiều vùng trọng điểm và phân loại các lỗ đen thành siêu tân tinh, chuẩn tinh, v.v. Vì mỗi loại thực thể lỗ đen sẽ có những đặc điểm rất khác nhau, nên có thể tìm thấy nhiều thực thể lỗ đen cùng loại trong một phạm vi nhất định.

Nghiên cứu về lỗ đen liên tục được mở rộng. Để hiểu hết những bí ẩn về lỗ đen, có lẽ phải trải qua nhiều thế hệ nghiên cứu. Đây là một cuộc phiêu lưu khó khăn, nhưng nó có thể cho chúng ta biết nhiều hơn về tương lai và quá khứ của vũ trụ. Có lẽ chỉ có thời gian mới chứng minh được những cảnh được miêu tả trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng có phải là sự thật hay không.