Hố đen là một trong những điều kỳ lạ và bí ẩn nhất của vũ trụ. Nó có mật độ vật chất cực kì dày đặc, với lực hấp dẫn mạnh đến mức không một vật chất nào, kể cả ánh sáng có thể thoát ra khỏi lực hút của nó.

Vậy  hố đen vũ trụ được hình thành như thế nào?
Hố đen còn được gọi là “ngôi sao băng” (frozen star) bởi vì chúng có thể được hình thành từ những ngôi sao “chết”. Một ngôi sao “chết” khi nó đã sử dụng hết toàn bộ nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong lõi của nó. Khi hết nhiên liệu, ngôi sao sẽ bị “sụp đổ” bởi chính sức ép từ lực hấp dẫn của chính nó.

Hình minh họa Cygnus X-1 : một hố đen đang “hút” nhiên liệu từ một ngôi sao đồng hành (bên phải). Credit : Chandra X-Ray Observatory, NASA

Nếu một ngôi sao đủ lớn, lực hút bên trong nó sẽ ngưng tụ thành một khối mạnh đến mức thậm chí nguyên tử cũng không thể giữ cấu trúc của nó, khi đó protons và electrons sẽ bị phân hủy và toàn bộ vật chất sẽ “sụp đổ”. Nếu có bất kì vật chất nào bên trong “chân trời sự kiện” (event horizon) thì nó sẽ không thể nào thoát khỏi lực sức hút lực hấp dẫn của lỗ đen. 

Vì ngay cả ánh sáng cũng không thể nào thoát ra khỏi hố đen nên ta không thể nhìn thấy chúng có hình dạng như thế nào. Tuy nhiên, các nhà thiên văn có thể phát hiện ra hố đen bằng cách dò tín hiệu bức xạ được phát ra khi vật chất bị hút vào nó. Thỉnh thoảng một vài khu vực xung quanh lỗ đen giải thoát những luồng ánh sáng đen có năng lượng cao mà có thể phát hiện được từ trên vũ trụ.

Theo một số lý thuyết, hố đen có 3 tầng chính : tầng ngoài đường “chân trời sự kiện” (tầng ngoài); tầng trong đường “chân trời sự kiện” (tầng giữa); và điểm kỳ dị (singularity) – nơi tập trung vật chất tại tâm hố đen. 

Hình ảnh mô phỏng một hố đen ở phía trước Đám mây Magellan Lớn.Credit : Alain R. Wikimedia Commons.

Điểm kỳ dị là nơi tập trung khối lượng vật chất của hố đen. Các nhà khoa học cho tới bây giờ vẫn chưa thực sự hiểu hết sự hoạt động của nó bởi vì những học thuyết vật lý tốt nhất cũng bị phá vỡ khi càng đi sâu vào khám phá hố đen.
Hố đen bao gồm những kích thước cực lớn tới khoảng cách vũ trụ cực nhỏ, từ đó có thể nghiên cứu hai học thuyết độc lập là thuyết tương đối rộng và thuyết cơ học lượng tử. Hai học thuyết này miêu tả hố đen như là một sự tập trung vật chất vô hạn, mặc dù các nhà khoa học nghiên cứu một bức tranh phức tạp hơn nhiều sẽ được tiết lộ, hứa hẹn sẽ là một phát hiện vật lý mới được khám phá.

Vậy chuyện gì sẽ xảy ra nếu như bạn bị rơi vào hố đen vũ trụ?

Điều đầu tiên bạn cần biết là bạn không thể sống sót để vào đến điểm kỳ dị. Khi bạn đến gần một hố đen, sức hút của lực hấp dẫn mạnh đến mức sự khác biệt trọng lực giữa điểm gần và xa vật thể là cực kì lớn. Hãy tưởng tượng xem nhé, nếu chân của bạn rơi vào hố đen trước, thì chân sẽ gần hố đen hơn đầu, nên phần chân bạn sẽ bị hút mạnh hơn. Kết quả là, chân của bạn sẽ bị kéo dài ra như kéo kẹo chewingum. Và sau đó cơ thể bạn sẽ kéo dài ngoằng như sợi mì Ý.

Sir Martin Rees –nhà vật lý thiên văn người Anh gọi quá trình này là hiện tượng “tạo mì ống” (spaghettification).

Tuy nhiên, xét theo thuật ngữ phổ biến hơn thì bạn không bị “hút” vào trong một hố đen vũ trụ. Bởi vì sự “hút” một vật gì đó trong chân không, và với sự đậm đặc đến mức không có cái gì khác ngoại trừ chân không trong cấu trúc của hố đen, không thể gọi đó là sự “hút” được. Đúng hơn là, các vật thể, bao gồm cả bạn nữa, sẽ rơi vào hố đen như rơi vào 1 cái giếng trong không gian nếu bạn đang ở vị trí sai về không gian và thời gian.

Khám phá hố đen vũ trụ
Định nghĩa hố đen được xuất hiện lần đầu tiên trong thuyết tương đối rộng của Albert Einstein năm 1916.

Hố đen vũ trụ đầu tiên được xác định là Cygnus X-1. Năm 1971, ngôi sao đôi này phát ra ánh sáng với độ sáng thay đổi trong một phần ngàn giây. Vào thời gian đó, thuật ngữ “hố đen vũ trụ” chưa được sử dụng. Đến năm 1973, thuật ngữ này được ghi nhận bởi nhà thiên văn học người Mỹ, John Wheeler.

Từ khi đó, nhiều vật thể được xác định là xuất hiện trong các hố đen. Những hố đen có khối lượng khổng lồ (supermassive) được hình thành tại vùng trung tâm của hầu hết các thiên hà, bao gồm cả dải Ngân hà của chúng ta. Chúng là những vật thể có quỹ đạo quay cực kỳ lớn và “tàng hình” nằm ngay tại trung tâm thiên hà, mặc dù các nhà thiên văn học vẫn chưa đủ khả năng để nhận ra khu vực hố đen này, nhưng họ vẫn có đủ dữ liệu chứng minh rằng có một hố đen tồn tại ở đó.

Các loại hố đen
Các nhà khoa học phân loại hố đen dựa vào bởi khối lượng, nguồn gốc và đặc điểm của nó. Dưới đây là các loại hố đen phổ biến nhất :
- Hố đen khối lượng ngôi sao (stellar-mass) có khối lượng gấp 10 lần khối lượng Mặt Trời. Loại hố đen này được hình thành từ sự sụp đổ của các ngôi sao khi chúng sử dụng hết nhiên liệu, phát nổ tạo thành vụ nổ siêu tân tinh. 
- Hố đen có khối lượng trung bình (intermediate-mass) gấp hàng trăm đến hàng triệu lần khối lượng Mặt Trời, tuy nhiên nguồn gốc hình thành chúng vẫn là bí ẩn.
- Hố đen siêu khổng lồ (supermassive) được hình thành tại vùng trung tâm của các ngân hà. Chúng được tạo thành từ sự va chạm của các hố đen nhỏ hơn. Càng nhiều vật chất rơi vào hố đen thì hố đen sẽ càng to hơn. Hố đen siêu khổng lồ thường có khối lượng gấp hàng triệu, thậm chí gấp hàng triệu lần khối lượng Mặt Trời.

So sánh kích cỡ hố đen lớn nhất mà các nhà thiên văn học từng phát hiện với hệ Mặt Trời của chúng ta. Nó chứa được 10 tỉ Mặt Trời.

Những lý thuyết khác
Một số nhà vật lý học đề xuất rằng những hố đen có thể tạo ra những đường hầm nối hai điểm trong không-thời gian, được gọi là lỗ sâu đục (wormhole). Nếu lỗ sâu đục tồn tại, chúng có thể tạo nên những đường cong thời gian vốn có khả năng cho phép du hành xuyên thời gian hay một đường tắt băng ngang vũ trụ. Tuy nhiên chưa có bất cứ minh chứng nào cho thấy lỗ sâu đục đã được phát hiện.
Một giả thuyết khác vẫn chưa được chứng minh là những hố đen siêu nhỏ (miature black holes) có thể đã hình thành ngay sau khi Big Bang diễn ra cách đây 13.7 tỉ năm. Khi xảy ra Big Bang, một số phần của vũ trụ có thể đã giãn nở quá nhanh dấn đến có nhiều vật chất bị nén chặt vào trong lỗ đen siêu nhỏ. Những thiên thể này có thể có khối lượng nhỏ hơn Mặt Trời tuy nhiên lại mật độ vật chất cực kì đặc.

Trang Nguyễn - HAAC
Theo Space.com