Lỗ đen vũ trụ được hình thành như thế nào? - Thiên Văn Học Tập 33 _ Tri thức nhân loại

Hổ Đen Thiên Văn Học Tập 33 Như chúng ta đã thấy trong bài tập qua, rất nhiều điều thực sự hoành tráng xảy ra khi một ngôi sao chết. Nếu lõi của ngôi sao có khối lượng nhỏ hơn 1,4 lần khối lượng của mặt trời, nó sẽ trở thành sao luồn trắng. Một quả cầu siêu nén rất nóng, có kích thước bằng trái đất. Nếu lõi nặng hơn, từ 1,4 đến 2,8 lần khối lượng mặt trời, nó còn sụp đổ hơn nữa, trở thành một ngôi sao nơ trồng chỉ có chiều ngang 20 km. Sụp nơ trồng bên trong nó chống lại sự sụp đổ và ngăn lõi không bị co lại nữa. Và ngăn lõi không bị co lại nữa. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu khối lượng của lõi lớn hơn 2,8 lần mặt trời? Nếu điều đó xảy ra, lực hấp dẫn của lõi thực sự có thể vượt qua sức cản cực lớn của các nơ trồng và tiếp tục sự sụp đổ của nó. Lực nào có thể ngăn chặn nó bây giờ? Câu trả lời là không còn lực nữa. Thực sự không có gì trong vũ trụ có thể ngăn chặn sự sụp đổ. Lõi của ngôi sao sắp ra đi mãi mãi. Quay trở lại tập 7, tôi đã nói về tốc độ thoát ly, và nó sắp trở thành một nhân tổ chính trong các sự kiện mở ra từ sự sụp đổ của lõi một ngôi sao khối lượng lớn. Nói dễ hiểu, đó là vận tốc mà bạn cần đẩy một thứ gì đó ra khỏi bề mặt của một vật thể để vật đó thoát ra ngoài. Đối với trại đất, vận tốc thoát ly vào khoảng 11 km trên giây. Ném thứ gì đó di chuyển nhanh với tốc độ đó và nó sẽ biến mất. Nó sẽ không bao giờ quay trở lại. Mặt trời có lực hấp dẫn mạnh hơn nhiều so với trại đất. Có vận tốc thoát ly trên 600 km trên giây. Một ngôi sao nơ trông với lực hấp dẫn cực lớn, có thể có vận tốc thoát ly là 150.000 km trên giây, tức là bằng một nửa tốc độ ánh sáng. Hãy ghi nhớ điều đó, và chúng ta hãy quay lại phần lõi đàn thu hẹp của ngôi sao. Khi nó co lại, lực hấp dẫn của nó ngày càng mạnh hơn. Điều đó có nghĩa là vận tốc thoát ly của nó ngày càng cao. Khi nó có kích thước bằng sao nơ trông, tốc độ thoát ly bằng một nửa tốc độ ánh sáng. Nhưng nếu nó lớn hơn 2,8 lần khối lượng của mặt trời, thì lõi sẽ tiếp tục sụp đổ. Khi kích thước của nó giảm xuống một chút nữa, xuống khoảng 18 km, một điều đáng kinh ngạc sẽ xảy ra. Tốc độ thoát ly trên bề mặt của nó bằng tốc độ ánh sáng. Và, đó là một vấn đề. Bởi vì trong vũ trụ của chúng ta, không gì có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Một khi lõi của một ngôi sao co lại nhỏ hơn kích thước ma thuật của nó, không gì có thể thoát ra được. Không có vật chất nào có thể phát ra. Vì vậy, nó giống như một lỗ sâu vô hạn, và không có ánh sáng nào có thể phát ra. Vì vậy, nó có màu đen. Chúng ta nên nghĩ ra một cái tên mạnh mẽ cho một đối tượng như vậy. Lỗ đen là trạng thái cuối cùng của lõi của một ngôi sao khối lượng lớn. Bất cứ điều gì xảy ra trong một lỗ đen, chỉ ở trong một lỗ đen. Vùng không gian đó, bề mặt xung quanh lỗ đen, nơi vần tốc thoát ra là tốc độ ánh sáng, được gọi là chân trời sự kiện. Event Horizon. Bất kỳ sự kiện nào xảy ra bên trong, đều không thể biết được. Nó nằm ngoài đường chân trời đối với chúng ta. Các lỗ đen làm mỡ hỗn độn với các khái niệm về không gian và thời gian của chúng ta. Toản học và vật lý của các lỗ đen vô cùng phức tạp. Đến nổi, ngay cả sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà vật lý vẫn tranh cãi về rất nhiều tính chất của chúng. Điều này cũng dẫn đến nhiều quan niệm sai lầm về chúng. Được rồi, chúng ta hãy giải quyết vấn đề này ngay bây giờ. Mặt trời không thể trở thành một lỗ đen. Cần một lõi sao có khối lượng ít nhất bằng khoảng 3 lần khối lượng của mặt trời để vượt qua áp suất thoải hóa neutron. Neutron Degeneracy Pressure. Điều đó có nghĩa là, ngôi sao ban đầu phải có khối lượng gấp 20 lần khối lượng mặt trời trở lên. Vì vậy, chúng ta an toàn trước kịch bản khoa học biển tưởng cụ thể đó. Đây là một quan niệm sai lầm khác. Nhiều người nghĩ lỗ đen là máy hút bụi vũ trụ, hút mọi thứ gần chúng. Nhưng điều đó không thực sự đúng. Chúng có lực hấp dẫn mạnh mẽ. Vâng, nhưng chỉ khi bạn ở rất gần nó. Sức mạnh của một lỗ đen chắc chắn đến từ khối lượng của nó. Nhưng điều quan trọng không kém là kích thước của nó. Hoặc, thực sự, nó thiểu kích thước. Nếu bạn có thể biến mặt trời thành một lỗ đen, điều mà bạn không thể, nhưng hãy giả vờ như bạn có thể, thì trái đất sẽ quay quanh nó khá chính xác, giống như bây giờ. Từ khoảng cách xa 150 triệu km, trái đất không quan tâm đến việc mặt trời lớn hay nhỏ. Chúng ta ở rất xa, nên điều đó không thành vấn đề. Nó sẽ là một vấn đề lớn khi bạn đến gần. Hãy nhớ về lực hấp dẫn, từ tập 7. Sức mạnh của trọng lực mà bạn cảm nhận được từ một vật thể, phụ thuộc vào khối lượng của nó và khoảng cách của bạn tới tâm của nó. Nơi gần nhất bạn có thể đến mặt trời là chạm vào nó, ở trên bề mặt của nó, cách trung tâm của nó khoảng 700.000 km. Nếu bạn tiến gần hơn đến trung tâm của nó, bạn đang bên trong nó. Vật chất bên ngoài vị trí của bạn không còn kéo bạn xuống nữa, và do đó trọng lực bạn cảm thấy sẽ thực sự giảm đi. Nhưng nếu mặt trời bị nghiền nát xuống khoảng 6 km, nó sẽ là một lỗ đen. Bạn có thể tiến gần hơn 700.000 km đến nó, và khi bạn đến gần nó, bạn sẽ cảm thấy một lực kéo mạnh hơn và mạnh hơn. Vì vậy, từ rất xa, một lỗ đen có khối lượng gấp 10 lần mặt trời sẽ kéo bạn mạnh như một ngôi sao bình thường có cùng khối lượng đó. Bạn cũng có thể quay quanh hổ đen, miễn là bạn giữ khoảng cách an toàn giữa bạn và nó. Quay quanh một lỗ đen khối lượng gấp 10 lần mặt trời sẽ giống như quay quanh một ngôi sao khối lượng gấp 10 lần mặt trời, ngoài trừ không quá nóng và sáng. Các lỗ đen đủ kỳ lạ nếu không có những quan niệm sai lầm. Các lỗ đen cũng có nhiều kích cỡ khác nhau. Loại mà tôi đang nói đến có khối lượng tối thiểu khoảng 3 lần mặt trời, và có thể cao gấp hàng chục lần khối lượng mặt trời trở lên, nếu ngôi sao mẹ đủ lớn. Chúng ta gọi đây là những lỗ đen có khối lượng sao. Nếu nó xảy ra nuốt chứng nhiều vật chất hơn, nó sẽ trở nên lớn hơn, và chân trời sự kiện cũng phát triển theo. Hổ đen ngày càng lớn. Ý tưởng rằng các lỗ đen khổng lồ có thể hình thành ở trung tâm của các thiên hà lần đầu tiên được đề xuất vào những năm 1970. Và không lâu sau đó, lỗ đen đầu tiên được tìm thấy ở trung tâm của giải ngân hà của chúng ta. Chúng ta đã đo được khối lượng của nó gấp 4,3 triệu lần khối lượng của mặt trời. Và bây giờ, chúng ta nghĩ rằng mọi thiên hà lớn cũng có một trái tim ở trung tâm của nó. Và trên thực tế, nó có thể rất quan trọng trong việc hình thành các thiên hà. Tôi sẽ thảo luận thêm về những điều đó trong một tập sau. Đây là một suy nghĩ thú vị. Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn rơi vào lỗ đen? Giả sử, một lỗ đen sao có khối lượng gấp 10 lần mặt trời. Đương nhiên là bạn sẽ chết. Nhưng những gì xảy ra trong vài phần nghìn giây trước khi bạn rơi khỏi vũ trụ mãi mãi thật sự khá thú vị. Như chúng ta đã thấy nhiều lần trong hệ mặt trời của chúng ta, thủy triều rất quan trọng. Chúng phát sinh do lực hấp dẫn suy yếu theo khoảng cách. Vì vậy, một vật thể lớn như mặt trăng bị kéo căng bởi lực hấp dẫn hành tinh của nó. Phía xa của mặt trăng bị kéo ít hơn phía gần. Một lỗ đen có trọng lực cực kỳ mạnh. Vì vậy, thủy triều mà nó có thể gây ra thật sự rất lớn. Chúng mạnh đến mức nếu bạn rơi chân vào lỗ đen khỏi lượng sao. Lực hấp dẫn lên bàn chân của bạn có thể mạnh hơn hàng triệu lần so với lực trên đầu của bạn. Hãy nhớ rằng, ngay cả những thủy triều nhỏ của một hành tinh cũng có thể xẻ toạt các mặt trăng. Khi bạn nhân lực đó với một triệu, bạn sẽ gặp rắc rối. Khi bạn ngã vào, bàn chân của bạn bị kéo mạnh hơn đầu đến mức bạn bị kéo căng, bị kéo ra như kẹo kéo. Bạn sẽ trở thành một sợi mì dài, mỏng, dài nhiều km, nhưng hẹp hơn một sợi tóc. Các nhà thiên văn học gọi điều này là spaghettification. Điều này có thể xảy ra khá gần với hổ đen, chỉ cách vài chục km. Nếu bạn rơi vào từ một khoảng cách xa, bạn sẽ di chuyển khá gần tốc độ ánh sáng tại thời điểm đó, và bạn sẽ chỉ có một phần nghìn giây hoặc lâu hơn trước khi nó giết chết bạn. Lưu ý rằng, điều này chỉ dành cho các lỗ đen khối lượng sao. Các lỗ đen siêu khối lượng lớn hơn rất nhiều, có chiều ngang hàng triệu hoặc hàng tỷ km. So với kích thước đó, khoảng cách giữa đầu và chân của bạn nhỏ hơn. Vì vậy, lực thủy triều ngang qua bạn gần như không quá khác biệt. Bạn sẽ rơi vào nó với tình trạng khá nguyên vẹn, nếu điều đó khiến bạn cảm thấy tốt hơn. Nhưng so với một lỗ đen, một ngôi sao vẫn có kích thước đáng kể và một ngôi sao ở quá gần bất kỳ lỗ đen nào cũng có thể bị phá vỡ do lực thủy triều. Vào tháng 3 năm 2011, các nhà thiên văn đã chứng kiến một sự kiện như vậy. Trong một thiên hà xa xôi, một ngôi sao dường như đã đến quá gần một lỗ đen và bị xẻ nát bởi lực thủy triều hôn giữ. Khi ngôi sao bị phá vỡ, nó bùng lên sáng rực. Trong dây lát bùng nổ 1.000 tỷ lần năng lượng của mặt trời. Đó là cách chúng ta có thể nhìn thấy nó, mặc dù nó cách chúng ta vài tỷ năm ảnh sáng. Nhưng cuối cùng, ta đã để dành điều kỳ lạ nhất. Một trong những ý tượng lớn nhất của Albert Einstein là không gian không chỉ là trống rỗng, mà còn là một thứ thực tế, giống như một tấm vải, trong đó tất cả vật chất và năng lượng đều được nhúng vào. Những gì chúng ta coi là trọng lực thực sự chỉ là sự công ven của không gian này, giống như cách một quả bóng bowling trên đầu giường làm cong hình dạng của tấm đêm. Một vật thể càng lớn, nó càng làm cong không gian. Không chỉ vậy, không gian và thời gian về cơ bản là hai phần của cùng một thứ. Bạn không thể ảnh hưởng đến cái này, mà không ảnh hưởng đến cái kia. Einstein đã tính toán rằng khi một vật thể lớn làm cong không gian, nó cũng làm cong thời gian. Một người nào đó ở sâu bên trong ảnh hưởng hấp dẫn của một vật thể cảm nhận thời gian trôi chậm hơn một người nào đó ở xa vật thể đó. Tôi biết, điều đó thật kỳ lạ. Chúng ta nghĩ về thời gian chỉ là trôi qua, và mọi người sẽ thấy nó di chuyển với cùng một tốc độ. Nhưng vũ trụ không có nghĩa vụ phải tuần theo những định kiến cứng nhất của chúng ta. Einstein đã đúng. Thời gian chậm lại càng nhiều, thì trọng lực của vật càng mạnh. Vì vậy, chẳng hạn, đồng hồ của bạn tích tắc chậm hơn một chút so với một người ở xa trái đất. Hiệu ứng này rất nhỏ, nhưng có thật, và chúng ta đã thực sự đo lượng nó trên trái đất bằng đồng hồ cực kỳ chính xác. Tuy nhiên, nếu bạn đến gần một lỗ đen, hiệu ứng sẽ mạnh hơn rất nhiều. Trên thực tế, các lỗ đen làm cong không gian và thời gian đến mất. Ở chân trời sự kiện, thời gian về cơ bản dừng lại. Bạn sẽ thấy đồng hồ của mình chạy bình thường, và bạn chỉ rơi vào rồi biến mất. Nhưng ai đó ở xa sẽ thấy đồng hồ của bạn tích tắc chậm hơn khi bạn bước vào. Và đây không phải là hiệu ứng cơ học hoặc nhận thức. Nó thực sự được dịch thành kết cấu không gian. Đối với một ai đó bên ngoài đang nhìn bạn, thì cú ngã của bạn thực sự sẽ là kéo dài mãi mãi. Nhưng sau đó, họ sẽ không thể thực sự nhìn thấy bạn. Ánh sáng mà bạn phát ra sẽ phải chống lại lực hấp dẫn cực mạnh của lỗ đen để thoát ra ngoài. Và để làm điều đó, nó sẽ mất năng lượng. Điều này rất giống với dịch chuyển đỏ Doppler mà tôi đã nói trong các tập trước và được gọi là dịch chuyển đỏ hấp dẫn. Khi bạn đang ở ngay chân trời sự kiện, ngay khi một người quan sát bên ngoài nhìn thấy đồng hồ của bạn dừng lại, họ cũng sẽ thấy ánh sáng phát ra từ bạn, dịch chuyển đỏ vô hạn. Ánh sáng của bạn sẽ mất tất cả năng lượng khi cố gắng rời khỏi vùng lân cận của lỗ đen và bạn sẽ bị tàn hình. Và từ góc nhìn của bạn, wow, bạn sẽ thấy vũ trụ tăng tốc, và ngay khi bạn chạm đến chân trời sự kiện, tất cả thời gian sẽ trôi qua. Tất cả đều như vậy. Và tất cả những ánh sáng đến bạn từ vũ trụ sẽ bị chuyển sang màu xanh lam, trở thành năng lượng cao đến mức bạn sẽ bị chiên. Nhưng khi bạn sắp rơi vào một lỗ đen, có thể bạn sẽ không quan tâm. Lỗ đen rất kỳ lạ, với toán học và vật lý phức tạp đến mức khó giải thích chúng. Đến nỗi các nhà khoa học vẫn đang cố gắng tìm ra những điều cơ bản về chúng. Ví dụ, một số nhà khoa học cho rằng chân trời sự kiện như chúng ta hiểu có thể không thực sự tồn tại. Và khi bạn áp dụng cơ học lượng tử vào vật lý lỗ đen, bạn thấy các hạt có thể từ từ lọt ra ngoài. Chúng ta vẫn còn mới trong lĩnh vực này và đang nỗ lực để hiểu những gì có thể là những vật thể phức tạp nhất trong vũ trụ. Các lỗ đen kỳ lạ và phản trực giác cứ xuất hiện từ đây trở đi khi chúng ta nhúng mũi vào các vật thể thiên văn ngày càng lớn hơn. Mặc dù chúng có vẻ đáng sợ và kỳ lạ và hãy thành thật mà nói chúng là vậy. Chúng đã tạo hình hầu hết các vật thể mà chúng ta thấy trong vũ trụ theo đúng nghĩa đen. Hôm nay bạn đã biết rằng lỗ đen khối lượng sao hình thành khi một ngôi sao rất lớn chết đi và lõi của nó sụp đổ. Lõi phải lớn hơn khoảng 2,8 lần khối lượng mặt trời để tạo thành một lỗ đen. Các lỗ đen có nhiều kích cỡ khác nhau nhưng đối với tất cả chúng tốc độ thoát ra đều lớn hơn tốc độ ánh sáng. Vì vậy không gì có thể thoát ra ngoài không kể vật chất hay ánh sáng. Chúng không đi lang thang trong vũ trụ ngấu nhiến mọi thứ xung quanh chúng. Lực hấp dẫn của chúng chỉ thật sự khốc liệt khi ở gần với chúng. Thủy triều gần lỗ đen có khối lượng sao sẽ làm kéo bạn dài ra như sợi mi và thời gian chậm lại khi bạn đến gần lỗ đen. Điều này sẽ không giúp ít nhiều nếu bạn chơi vào nó.