Tại sao gọi hố đen là con “quái vật” của vũ trụ?

Hố đen là một vùng không – thời gian có một trường hấp dẫn mạnh đến nỗi không có vật chất nói chung chiếm khối lượng và không gian nhất định hoặc các bức xạ và ánh sáng nào có thể thoát ra ngoài. Thuyết tương đối rộng tiên đoán một lượng vật chất với khối lượng đủ lớn nằm trong phạm vi đủ nhỏ sẽ làm biến dạng không thời gian để trở thành lỗ đen.

Theo lý thuyết, lỗ đen khối lượng sao hình thành từ sự suy sụp hấp dẫn của những sao có khối lượng rất lớn trong giai đoạn cuối của quá trình tiến hóa. Sau khi hình thành, chúng tiếp tục thu hút vật chất từ môi trường xung quanh, và khối lượng tăng dần lên theo thời gian. Các dự án khảo sát cho thấy đa phần tại trung tâm thiên hà lớn đều tồn tại ít nhất một lỗ đen khổng lồ và tại trung tâm Ngân Hà có một lỗ đen khổng lồ với khối lượng xấp xỉ 4,4 triệu lần khối lượng Mặt Trời.

Vũ trụ có vô số hố đen mà người ta không thể đếm hết được. Chỉ riêng Dải Ngân Hà đã có khoảng 100 triệu hố đen có khối lượng ngôi sao (stellar-mass). Đó còn chưa kể tới những hố đen nhỏ hơn tồn tại trong thiên hà của chúng ta.

Ngôi sao của chúng ta – Mặt Trời một ngày nào đó sẽ phát nổ nhưng nó sẽ không thể tạo thành một hố đen. Đối với chúng ta, Mặt Trời là một hằng tinh khổng lồ nhưng nó vẫn tương đối nhỏ so với các ngôi sao khác trong vũ trụ. Do đó, Mặt Trời gần như không đủ lớn để hình thành một hố đen.

Vật chất rơi vào lỗ đen hình thành lên vùng bồi tụ ở đây vật chất va chạm và ma sát với nhau, trở thành trạng thái plasma phát ra bức xạ cường độ lớn khiến môi trường bao quanh lỗ đen trở thành một trong những vật thể sáng nhất trong vũ trụ.

Không một thứ gì, ngay cả ánh sáng, có thể từ trong lỗ đen thoát ra ngoài chân trời sự kiện. Bản thân vật thể khi đi qua chân trời sự kiện sẽ không cảm thấy điều gì đặc biệt, nhưng người quan sát bên ngoài sẽ thấy vật thể tiến gần chân trời sự kiện một cách chậm dần rồi mất hẳn, mọi thông tin của vật thể không thể vượt ra ngoài khiến cho người ở ngoài không thể biết được bên trong nó là như thế nào. Giáo sư trường đại học Harvard Avi Loeb đã nhận định rằng chân trời sự kiện là nơi người ta “chỉ có thể bước vào song vĩnh viễn không thể quay ra”.

Tại trung tâm của lỗ đen có một vùng kì dị hấp dẫn, nơi độ cong không thời gian có giá trị vô hạn. Có thể coi vùng này có mật độ vật chất lớn vô hạn. Mọi thứ rơi qua chân trời sự kiện vào vùng kì dị đều bị phá hủy hoàn toàn.

Để mọi người dễ hiểu hơn về chân trời sự kiện, giả sử có nhà du hành vũ trụ mạo hiểm bắt đầu tiến gần thăm dò một lỗ đen siêu khối lượng bằng con tàu của mình. Trong lúc đi vào, nếu anh ta nhìn ngược ra phía ngoài vũ trụ, nhà du hành sẽ thấy các ngôi sao nằm lệch khỏi vị trí của chúng, càng vào sâu thì các ngôi sao càng sáng hơn và nằm gần nhau hơn. Điều này là do lỗ đen làm uốn cong không thời gian và hiệu ứng dịch chuyển đỏ do hấp dẫn làm bước sóng tia sáng phát ra từ các ngôi sao bị hút về lỗ đen dịch chuyển về phía tím nhiều hơn. Khi đã băng qua chân trời, chỉ hết thời gian hữu hạn đo ở trong con tàu, anh ta cùng con tàu sẽ không tránh khỏi bị phá hủy bởi hiệu ứng thủy triều cực mạnh và hòa vào vùng kì dị của lỗ đen.

Còn đối với người ở ngoài xa lỗ đen, thông qua tín hiệu con tàu phát ra (hay hình ảnh của nó), họ sẽ thấy con tàu rơi chậm dần về phía chân trời sự kiện. Tín hiệu nhận được sẽ chuyển dần từ bước sóng ngắn sang bước sóng dài hơn hay dịch chuyển đỏ hơn. Và dường như phải đợi rất lâu (gần như lâu vô hạn, đo bởi đồng hồ nằm rất xa lỗ đen) để thấy con tàu rơi qua biên giới lỗ đen. Người ở xa nhận được tín hiệu có bước sóng càng lúc càng dài, đến khi thiết bị của họ không còn khả năng thu được bước sóng dài đó nữa thì coi như hình ảnh và tín hiệu con tàu đã biến mất.

Chúng ta đều biết rằng những hố đen nuốt chửng mọi thứ trong quỹ đạo của nó song một số nhà khoa học tin rằng chúng ta có thể tận dụng năng lượng từ hố đen để thực hiện những cuộc du hành không gian.