Hố đen kỳ bí
Phần 2

Nghiên cứu về hố đen
Hình mô tả đĩa gia tốc của lớp plasma quay xung quanh một hố đen
(ảnh của NASA).
Sự hình thành
Lý thuyết tương đối rộng (cũng như các lý thuyết hấp dẫn khác)
không chỉ nói rằng các hố đen có thể tồn tại mà còn tiên đoán rằng chúng sẽ
được hình thành trong tự nhiên khi có đủ khối lượng trong một vùng không
gian nào đó và trải qua một quá trình gọi là suy sập hấp dẫn. Vì khối lượng
bên trong vùng đó tăng lên, nên hấp dẫn của nó cũng mạnh lên, hay nói theo
ngôn ngữ của thuyết tương đối, không gian xung quanh bị biến dạng. Khi
vận tốc thoát tại một khoảng cách nhất định từ tâm đạt đến vận tốc ánh sáng,
thì một chân trời sự kiện được hình thành mà trong đó vật chất chắc chắn bị
suy sập vào một điểm duy nhất, tạo nên một điểm kỳ dị.
Các phân tích định lượng về điều này dẫn đến việc tiên đoán một ngôi
sao có khối lượng khoảng ba lần khối lượng Mặt Trời, tại thời điểm cuối
cùng trong quá trình tiến hóa hầu như chắc chắn sẽ co lại tới một kích thước
tới hạn cần thiết để xảy ra suy sập hấp dẫn (thông thường các ngôi sao co lại
chỉ dừng ở trạng thái sao neutron). Khi điều này xảy ra, không có bất kỳ lực
vật lý nào có thể ngăn cản sự suy sập đó, và một hố đen được tạo thành.
Sự suy sập của các ngôi sao sẽ tạo nên các hố đen có khối lượng ít
nhất gấp ba lần khối lượng Mặt Trời. Các hố đen nhỏ hơn giới hạn này chỉ
có thể được hình thành nếu vật chất chịu tác động của các áp lực khác ngoài
lực hấp dẫn của chính ngôi sao. Áp lực vô cùng lớn cần thiết để có thể gây ra
điều này có thể tồn tại vào những giai đoạn rất sớm của vũ trụ, có thể đã tạo
nên các hố đen nguyên thủy có khối lượng nhỏ hơn nhiều lần khối lượng
Mặt Trời.
Các hố đen siêu lớn có thể có khối lượng gấp hàng triệu, hàng tỷ lần
khối lượng Mặt Trời có thể được hình thành khi có một số lớn các ngôi sao

gây ra mà còn có thể do các vật thể khác như các sao neutron chẳng hạn, và
động lực học của các vật thể gần các "hố không đen" này rất giống như động
lực học của các vật thể xung quanh hố đen và việc nghiên cứu về chúng là
lĩnh vực nghiên cứu rất phức tạp và năng động hiện nay. Nó bao gồm ngành
vật lý plasma và từ trường. Do đó, trong phần lớn các quan sát về đĩa gia tốc
và chuyển động quỹ đạo chỉ cho biết về khối lượng của vật thể cô đặc mà
thôi, chứ không cho biết về bản chất của vật thể đó. Việc xác định vật thể đó
là hố đen yêu cầu các giả thuyết bổ sung là không có vật thể nào khác (hoặc
các hệ liên kết với vật thể) có thể nặng và cô đặc đến thế. Phần lớn các nhà
vật lý thiên văn chấp nhận rằng, trong trường hợp này, theo lý thuyết tương
đối rộng, bất kỳ vật nào có mật độ vật chất đủ cao đều phải co lại thành một
hố đen.
Một khác biệt quan sát quan trọng giữa các hố đen và các ngôi sao
đặc, nặng khác là bất kỳ vật chất rơi vào các vật thể nặng thì cuối cùng cũng
phải va chạm với vật thể đó với một vận tốc rất lớn, dẫn đến việc lóe sáng dị
thường của các tia X với cường độ rất mạnh cùng với các bức xạ khác. Cho
nên, nếu không có các lóe sáng bức xạ như thế xung quanh vật thể cô đặc thì
có thể được coi là bằng chứng để cho rằng nó là một hố đen, nơi mà không
có bề mặt để vật chất có thể va đập vào đột ngột.
Chúng ta đã tìm thấy hố đen chưa?

Nguồn tia X Cygnus X-1 được nhiều người cho rằng nó có thể là một
hố đen có khối lượng bằng 10 lần khối lượng Mặt Trời quay xung quanh
một ngôi sao kềnh xanh.
Ngày nay, có khá nhiều những bằng chứng thiên văn gián tiếp về hai
loại hố đen:
 Các hố đen khối lượng ngôi sao có khối lượng cỡ bằng các ngôi
sao bình thường (4 - 15 lần khối lượng Mặt Trời, và
 Các hố đen siêu nặng có khối lượng bằng một thiên hà.
Thêm vào đó, có một vài bằng chứng về các hố đen khối lượng trung

tương tự hình cầu chứa nó như thiên hà hình e-líp, đám sao của thiên hà hình
xoáy ốc. Điều thú vị là không có bằng chứng nào về sự có mặt của các hố
đen nặng ở tâm các đám sao hình cầu, cho thấy sự khác biệt cơ bản giữa các
đám sao hình cầu với các thiên hà.
Hố đen siêu nhỏ
Việc hình thành các hố đen siêu nhỏ trên Trái Đất trong các máy gia
tốc đã được công bố (xem thêm [7]) nhưng chưa được kiểm tra. Cho đến
nay, người ta vẫn chưa tìm thấy bằng chứng về hố đen nguyên thủy.
Mô tả toán học
Các hố đen được tiên đoán từ lý thuyết tương đối rộng của Albert
Einstein. Đặc biệt là chúng xuất hiện trong nghiệm Schwarzschild, một trong
những nghiệm đơn giản và sớm nhất của các phương trình Einstein do Karl
Schwarzschild tìm ra vào năm 1915. Nghiệm này mô tả độ cong của không-
thời gian trong vùng lân cận một vật thể đối xứng hình cầu trong không gian,
nghiệm này là:
,
trong đó là góc khối chuẩn.
Theo nghiệm Schwarzschild, một vật đang bị lực hấp dẫn tác dụng sẽ
suy sập vào một hố đen nếu bán kính của nó nhỏ hơn một khoảng cách đặc
trưng được gọi là bán kính Schwarzschild. Dưới bán kính này, không-thời
gian bị cong đến nỗi bất kỳ ánh sáng được phát ra trong vùng này, bất kể
hướng được phát ra, sẽ đi vào tâm của hệ này. Vì lý thuyết tương đối không
cho phép bất kỳ vật thể nào chuyển động nhanh hơn ánh sáng, bất kỳ vật gì
nằm dưới bán kính Schwarzschild đều bị hút vào tâm tạo nên một kỳ dị hấp
dẫn, một vùng có mật độ vô hạn về mặt lý thuyết. Vì ngay cả ánh sáng cũng
không thể thoát được nên hố đen cổ điển là hoàn toàn đen.
Bán kính Schwarzschild được cho bởi công thức sau:
Trong đó G là hằng số hấp dẫn, m là khối lượng của vật thể, và c là
vận tốc ánh sáng. Đối với một vật thể có khối lượng bằng Trái Đất, bán kính
Schwarzschild của nó bằng 9 mili mét.

toán trước đây đến năm bậc.
Tháng 7 năm 2004, các nhà thiên văn tìm thấy một hố đen khổng lồ
Q0906+6930, tại tâm của một thiên hà xa xôi trong chòm sao Đại Hùng
(Gấu Lớn, Ursa Major). Kích thước và tuổi của hố đen có thể cho phép xác
định tuổi vũ trụ [8].
Tháng 11 năm 2004, một nhóm các nhà thiên văn công bố khám phá
đầu tiên về hố đen khối lượng trung bình trong thiên hà của chúng ta, quay
xung quanh Sagittarius A ở khoảng cách 3 năm ánh sáng. Hố đen trung bình
này có khối lượng 1.300 lần khối lượng Mặt Trời nằm trong một đám gồm
bảy ngôi sao, có thể là tàn dư của một đám sao lớn bị phần tâm của thiên hà
tước đi phần lớn vật chất. (Tạp chí Nature)(bài gốc tiếng Anh). Quan sát này
có thể củng cố ý tưởng về các hố đen siêu nặng phát triển bằng hấp thụ các
hố đen và các ngôi sao nhỏ hơn.
Tháng 5 năm 2005, một ngôi sao kềnh xanh SDSS J090745.0+24507
được tìm thấy đang rời khỏi Ngân Hà với vận tốc gấp đôi vận tốc thoát
(0,0022 vận tốc ánh sáng). Người ta có thể lần theo lộ trình của ngôi sao đó
ngược trở lại tâm của thiên hà.
Mô hình thay thế
Một vài mô hình thay thế tương tự như hố đen nhưng có thể tránh
được điểm kỳ dị cũng được đưa ra. Nhưng phần lớn các nhà nghiên cứu
nhận xét các khái niệm này chỉ mang tính nhân tạo, vì chúng phức tạp hơn
nhưng lại không đưa ra các điểm khác biệt cơ bản với các hố đen. Lý thuyết
có triển vọng nhất là lý thuyết Gravastar.
Tháng 3 năm 2005, nhà vật lý George Chapline làm việc tại Phòng thí
nghiệm quốc gia Lawrence ở California cho rằng các hố đen không tồn tại,
và rằng các vật thể mà mọi người cho là các hố đen thực ra là các ngôi sao
năng lượng đen. Ông đưa ra kết luận này từ các nghiên cứu cơ học lượng tử.
Mặc dù đề xuất của ông không được đông đảo các nhà vật lý ủng hộ, nhưng
vẫn thu hút được nhiều quan tâm của công luận.