Tôi sẽ trả lời câu hỏi này với 4 phần.
· Hố đen là gì?
· Hố đen được hình thành như thế nào?
· Tại sao hố đen lại có trường hấp dẫn mạnh đến vậy?
· Cấu tạo hố đen?
Hố đen là gì?
Hố đen là nơi có trường hấp dẫn mạnh tới nỗi bạn cần một vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng để thoát ra khỏi đó. Nó có nghĩa là bạn cần một vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng để thoát ra khỏi hố đen (điều bất khả về vật lý), như hình dưới đây.
(1)
Credit: Frigg MnSU Astronomy Group
Do ánh sáng không thể thoát khỏi hố đen nên nó có màu đen. Không như áo của bạn, thứ mà có thể phản chiếu ánh sáng. Không, hố đen không phản chiếu một chút ánh sáng nào, vậy nên nó đen hoàn toàn.
Bức ảnh xoáy nước này khá tương tự hố đen. Sau một điểm nhất định thì dòng nước sẽ mạnh đến nỗi không có vận tốc nào là đủ để thoát khỏi nó.
(2)
Credit: Answers magazine
Đó là một sự so sánh khá hoàn hảo, chúng ta không thể nghiên cứu trực tiếp hố đen do chúng ta không thể quan sát nó hay là nhìn vào bên trong nó (chúng ta chỉ có thể suy đoán bằng sự tồn tại của trường hấp dẫn của các hố đen, thứ ảnh hưởng tới các ngôi sao quanh chúng, và chúng ta cũng có thể thấy được bức xạ của vật chất bị hút vào đó), chúng ta có thể nghiên cứu các tín hiệu liên tục (analogue) từ hố đen và một loại tín hiệu analog nữa để nghiên cứu là bức xạ Hawking (quá trình mà hố đen dần bay hơi) qua việc sử dụng dòng nước: https://www.youtube.com/watch?v=kOnoYQchHFw
Hố đen được hình thành như thế nào?
Khởi đầu là một ngôi sao khổng lồ. Do ngôi sao đó tổng hợp hạt nhân thành nguyên tố nặng hơn (quá trình hợp hạch ở nhiệt độ cực cao), nhiệt lượng được tạo ra một áp lực đẩy ra ngoài, áp lực này đối nghịch với lực ép vào trong tạo ra bởi trọng lực, miễn là ngôi sao đó có đủ nhiên liệu cho phản ứng và tỏa nhiệt thì áp suất lõi và trọng lực sẽ cân bằng (cân bằng thủy tĩnh).
(3)
Copyright © 2017 Martin Silvertant. All Rights Reserved.
Đến một lúc nào đó, nhiên liệu của sao sẽ hết, có nghĩa là áp suất nhiệt sẽ giảm, trọng lực sẽ chiếm ưu thế. Đó là lúc sự suy sụp hấp dẫn xảy ra. Những ngôi sao với khối lượng cuối nhỏ hơn giới hạn Chandrasekhar, gấp 1.4 lần khối lượng của Mặt Trời thì sẽ sụp đổi thành sao lùn trắng. Những ngôi sao có khối lượng cuối trong khoảng giới hạn Chandrasekhar và giới hạn Tolman-Oppenheimer-Volkoff (Giới hạn TOV) gấp khoảng 2-3 lần khối lượng Mặt Trời thì sẽ trở thành sao neutron. Và những ngôi sao có khối lượng cuối lớn hơn giới hạn TOV thì sẽ trở thành hố đen. Khối lượng cuối với khối lượng ban đầu có sự tương quan ít nhất là 25 M⊙.
Cứ cho là ngôi sao trong ảnh trên có khối lượng gấp 30 lần Mặt Trời. Khi ngôi sao này sụp đổ sẽ xảy ra một vụ nổ gọi là siêu tân tinh, vụ nổ này sẽ đẩy rất nhiều vật chất ra ngoài vũ trụ. Đây là ảnh của một siêu tân tinh.
(4)
Credit: NASA’s Chandra X-ray Observatory
Ở ảnh dưới, bạn sẽ thấy được sự liên quan giữa khối lượng ban đầu và khối lượng cuối. Với một ngôi sao có khối lượng ban đầu bằng 30 lần khối lượng của Mặt Trời thì nó sẽ có khối lượng cuối bằng khoảng 4 lần khối lượng mặt trời. Đủ để tạo ra một hố đen.
(5)
Credit: Marco Limongi
Tôi đã đánh dấu hai đường (xanh và đỏ) làm ví dụ cho cách đọc biểu đồ. Một ngôi sao với khối lượng gấp 25 M⊙ (1 M⊙ = khối lượng 1 mặt trời) sẽ có khối lượng cuối cùng khoảng 2 M⊙ (Nhớ tới giới hạn TOV là 2-3 M⊙ chứ?). Đường màu xanh là một ngôi sao 30 M⊙, cái mà bạn sẽ thấy khối lượng cuối tương ứng là 4 M⊙. Và bạn cũng có thể thấy bất cứ ngôi sao nào có khối lượng ban đầu nhỏ hơn 25 M⊙ sẽ trở thành sao neutron với khối lượng cuối khoảng 0.88-1.44 M⊙
Tại sao hố đen lại có trường hấp dẫn mạnh đến vậy?
Đây là phần quan trọng nè. Sức mạnh của trường hấp dẫn phụ thuộc vào 2 yếu tố.
· Khối lượng của vật thể.
· Khoảng cách giữa bạn và vật thể.
(6)
Copyright © 2017 Martin Silvertant. All Rights Reserved.
Khi nhìn vào ngôi sao ở trên, bạn sẽ thấy nó có bán kính lớn hơn nhiều so với sao neutron và hố đen. Tuy nhiên, tỷ lệ bán kính trước và sau rất lớn, do sao neutron và hố đen rất nhỏ so với ban đầu. Trong khi Mặt Trời có đường kính là 1.3914 triệu km (và nặng bằng 1 mặt trời), một sao neutron thường có đường kính khoảng 20 km (nặng hơn Mặt Trời 1.4 lần), và hố đen nặng gấp 3 lần Mặt Trời được cho là bị nén lại bằng một điểm. Mặc dù bán kính Schwarzschild (hay còn gọi là bán kính hấp dẫn) của khối lượng này phải là 8.86 km (đường kính là 17.73). Tôi sẽ nói thêm về bán kính Schwarzschild. Chút nữa tôi sẽ nói thêm về bán kính Schwarzschild.
Bạn có 3 vật thể tăng khối lượng nhưng giảm bán kính. Giờ thì cả ba vật thể đều có trường trọng lực khác nhau do sự khác biệt về khối lượng, và bán kính của chúng cũng quan trọng. Giả sử, cả ba vật thể có khối lượng bằng nhau nhưng kích thước khác nhau. Để có được lực hấp dẫn như sao neutron ở một ngôi sao bình thường thì bạn phải đi vào trong ngôi sao đó. Tuy nhiên, để có một lực hấp dẫn như một ngôi sao bình thường ở sao neutron thì bạn có thể phải ở xa sao neutron (khoảng cách được chỉ ra bởi vòng tròn vàng quanh sao neutron). Bạn thấy đấy, cùng khối lượng nhưng bán kính nhỏ hơn thì bạn có thể tới gần sao neutron hơn so với ngôi sao bình thường. Vì thế mà bạn có được trường hấp dẫn trên bề mặt sao neutron mạnh hơn nhiều so với ngôi sao thông thường. Hố đen có khối lượng lớn hơn và bán kính nhỏ hơn rất nhiều (được coi là một điểm). Vì vậy trường hấp dẫn của nó khi bạn đến gần là cực kỳ mạnh. Mạnh đến nỗi ánh sáng, thứ có tốc độ lớn nhất trong vũ trụ cũng không thể thoát ra, như chúng ta thấy ở đoạn đầu
Cấu tạo của hố đen.
Phần này thì vui nè. Các thành phần của hố đen là gì? Bạn có thể nhìn thấy một phiên bản giản lược về những thành phần liên quan của hố đen. Đầu tiên, chúng ta sẽ nói về cách hố đen bị nén lại thành một điểm. Ít nhất, hố đen được cho là vậy, mặc dù trong thực tế chúng ta không biết hố đen có thực sự là một điểm hay không. Dù là vật lý hay toán học, nó được gọi là điểm kì dị. Điểm kì dị có một khu vực, nơi mà vận tốc để thoát ra khỏi đó vượt qua vận tốc ánh sáng và được chỉ ra bởi bán kính Schwarzschild. Ranh giới không-thời gian, cái mà khi vượt qua nó, thì ánh sáng không thể thoát ra được gọi là chân trời sự kiện.
(7)
Copyright © 2017 Martin Silvertant. All Rights Reserved.
Khối lượng của vật thể uốn cong không-thời gian, hố đen có mật độ khối lượng (khối lượng riêng) bẻ cong không-thời gian đến nỗi ánh sáng bị giữ lại. Ảnh dưới sẽ làm bạn dễ hình dung hơn về sự bẻ cong không-thời gian. Hãy nhớ rằng ảnh dưới chỉ miêu tả sự cong vênh không-thời gian hai chiều (2D), trong khi thực tế là không gian ba chiều (3D). Vì vậy hãy nghĩ tới không-thời gian cong vào trong, tạo ra giiếng trọng lực (ảnh b trong hình).
(8)
Bạn đã sẵn sàng cho kiến thức sâu hơn chưa? Hãy nhìn vào bức ảnh tổng quan hơn về cấu tạo hố đen. Ảnh dưới là một hố đen Schwarzschild, loại hố đen có nhiều đặc điểm chung nhất. Nó là một hố đen không quay, không tích điện. Những hố đen không quay được cho là có tồn tại. Metric Schwarzschild đưa ra một mô hình đơn giản về những gì đang diễn ra bên trong hố đen. Chút nữa chúng ta sẽ nói đến hố đen quay.
(9)
Copyright © 2017 Martin Silvertant. All Rights Reserved.
Bạn thấy đấy, có hai đến ba thành phần được thêm vào so với cấu tạo hố đen đơn giản. Một hố đen có chân trời sự kiện ngoài và chân trời sự kiện trong hay còn được gọi là chân trời Cauchy. Một phía của chân trời Cauchy chứa đường trắc địa không gian kín. Phía còn lại chứa đường trắc địa thời gian kín. Đường trắc địa là đường ngắn nhất giữa hai điểm trong không gian cong. Một vật chất rơi vào trong hố đen, nó sẽ đi một đường ngắn nhất có thể, vượt qua chân trời Cauchy, không-thời gian sẽ bị đảo ngược. Có nghĩa là sau khi vượt qua chân trời sự kiện thì bạn không còn di chuyển trong không gian và chỉ di chuyển trong thời gian. Vậy là vượt qua chân trời đó bạn sẽ di chuyển tới nơi không thể tránh khỏi là điểm kỳ dị.
Bên ngoài bán kính Schwarzschild có một vành đai được gọi là cầu photon, nơi có trọng lực mạnh đến nỗi photon (hạt ánh sáng) cũng phải di chuyển theo quỹ đạo. Vượt qua ranh giới này bạn sẽ di chuyển tới chân trời sự kiện, còn ở cầu photon thì các hạt photon sẽ di chuyển trong quỹ đạo một chút (quỹ đạo không ổn định). Điều thú vị là các hạt photon di chuyển vòng tròn khi bạn ở cầu photon thì những photon từ phía sau bạn sẽ di chuyển vòng tròn quanh hố đen và bạn sẽ thấy lưng của bạn. Dị ha.
Cuối cùng, hãy cùng đến với hố đen quay, hay còn có thể gọi là hố đen Kerr hoặc hố đen Kerr-Newman (hố đen quay không tích điện). Một hố đen chỉ có thể có ba thuộc tính cơ bản: khối lượng, điện tích và mô men động lượng (quay).
(10) Copyright © 2017 Martin Silvertant. All Rights Reserved.
Những ngôi sao quay và khi một ngôi sao lớn sụp đổ thành hố đen thì động lượng của nó không chỉ chuyển về hố đen mà khi bán kính nó giảm đáng kể thì động lượng của nó sẽ tăng. Hãy nghĩ tới một người trượt băng, khi muốn quay nhanh hơn thì cô ấy gập tay vào, làm như vậy thì quán tính sẽ giảm.
(11)
Credit: Boundless
Hố đen quay dẫn đến bán kính Schwarzschild bị lệch do lực ly tâm. Cũng vậy, trọng lực điểm kỳ dị không còn là điểm gốc, ngoại trừ vòng kỳ dị hai chiều. Một thành phần bổ sung quan trọng nữa là mặt cầu sản công (ergosphere), một vùng bên ngoài chân trời sự kiện ngoài. Mặt cầu sản công và chân trời sự kiện ở điểm cực của hố đen quay và có bán kính lớn hơn ở xích đạo. Tùy tốc độ quay, mặt cầu sản công sẽ có hình cầu dẹt hoặc sẽ giống quả bí ngô.
Do hố đen quay nên không-thời gian sẽ bị uốn cong theo chiều quay với tốc độ giảm dần khi càng ở gần chân trời sự kiện. Có nghĩa là không-thời gian gần chân trời sự kiện sẽ bị bẻ cong nhiều hơn ở xa. Quá trình này được gọi là kéo hệ quy chiếu. Ảnh hưởng bởi hiệu ứng kéo, vật thể ở trong mặt cầu sản công không đứng yên so với bên ngoài nếu không di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng so với không-thời gian ở đó, một việc bất khả. Vì mặt cầu sản công nằm ngoài chân trời sự kiện nên các vật thể ở trong vùng này vẫn có thể thoát ra khỏi hố đen bằng cách lấy tốc độ qua chuyển động quay của bố đen.
Đó là những thứ căn bản về hố đen. Còn nhiều thử để nói về hố đen nữa nhưng những thứ ở trên đã giải thích nhiều thứ căn bản rồi. Giờ thì bạn đã có thể hiểu được nhiều điều cơ bản, hãy xem xét đọc thêm câu trả lời này để biết thêm thông tin:
Các bạn có thể tham khảo thêm về các khái niệm:
Bức xạ Hawking: https://vi.wikipedia.org/wiki/B%E1%BB%A9c_x%E1%BA%A1_Hawking
Phản ứng hợp hạch ở nhiệt độ cao: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermonuclear_fusion
Cân bằng thủy tĩnh:
Giới hạn Chandrasekhar:https://vi.wikipedia.org/wiki/Gi%E1%BB%9Bi_h%E1%BA%A1n_Chandrasekhar
Sao lùn trắng: https://vi.wikipedia.org/wiki/Sao_l%C3%B9n_tr%E1%BA%AFng
Giới hạn Tolman-Oppenheimer-Volkoff:
Siêu tân tinh:
Bán kính Schwarzschild:
Điểm kì dị không-thời gian:
Chân trời sự kiện:
Khối lượng riêng:
Giếng trọng lực:
Metric Schwarzschild:
Chân trời Cauchy:
Không-thời gian, space-like, time-like:
https://en.wikipedia.org/wiki/Spacetime
https://en.wikipedia.org/wiki/Spacetime
Mặt cầu Photon
Hố đen quay:
Metric Kerr:
Metric Kerr–Newman:
Mô men động lượng:
Quán tính:
Lực ly tâm:
Mặt cầu sản công:
Vòng kỳ dị:
Kéo hệ quy chiếu:
xêm thêm tại cá cược bóng đá:
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét