Thuyết tương đối rộng: Các lỗ đen & Sóng hấp dẫn

Thuyết tương đối rộng: Các lỗ đen

Không bao lâu sau khi Einstein đề xuất lí thuyết tương đối rộng của ông, một nhà vật lí người Đức tên là Karl Schwarzschild đã tìm ra một trong những nghiệm đầu tiên và quan trọng nhất của các phương trình trường Einstein. Ngày nay được gọi là nghiệm Schwarzschild, nó mô tả hình dạng của không-thời gian xung quanh các ngôi sao cực kì đặc – và nó có một số đặc điểm rất kì lạ.

Trước tiên, ở ngay tại tâm của những vật thể như vậy, độ cong của không-thời gian trở nên vô hạn – tạo ra một đặc điểm gọi là một kì dị. Một đặc điểm còn lạ hơn nữa là một mặt cầu không nhìn thấy, gọi là chân trời sự cố, bao xung quanh điểm kì dị đó. Không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra khỏi chân trời sự cố. Bạn hầu như có thể nghĩ điểm kì dị Schwarzschild là một cái lỗ trong cấu trúc của không-thời gian.

Đài thiên văn tia X Chandra đã xác nhận các ý tưởng dựa trên nền thuyết tương đối của chúng ta về vũ trụ. (Ảnh: Trung tâm Đài thiên văn tia X Chadra)

Vào những năm 1960, nhà toán học người New Zealand Roy Kerr đã phát hiện ra một họ nghiệm tổng quát hơn cho các phương trình trường Einstein. Những nghiệm này mô tả những vật thể đang quay tròn, và chúng còn kì lạ hơn cả nghiệm Schwarzschild.

Các vật thể mà các nghiệm Schwarzschild và Kerr mô tả được gọi là các lỗ đen. Mặc dù không có lỗ đen nào từng được trông thấy trực tiếp, nhưng có bằng chứng không thể chối cãi rằng chúng tồn tại. Chúng thường được phát hiện ra qua tác dụng mà chúng để lại trên các vật thể thiên văn lân cận như các ngôi sao hay chất khí.

Những lỗ đen nhỏ nhất có thể được tìm thấy xuất hiện cùng với các ngôi sao bình thường. Khi ngôi sao quay xung quanh lỗ đen, nó từ từ bị hút lấy một phần vật chất và phát ra tia X. Lỗ đen đầu tiên như vậy được quan sát thấy là Sygnus X-1, và hiện nay có một số cặp đôi tia X đã được xác định rõ ràng với các lỗ đen chừng bằng 10 lần khối lượng mặt trời.

Bằng chứng cho những lỗ đen lớn hơn nhiều xuất hiện trong thập niên 1960 khi một số vật thể rất sáng và xa xôi đã được quan sát thấy trên bầu trời. Gọi là các quasar, chúng phát sinh từ các lỗ đen bị phá hủy có vẻ sinh ra tại lõi của các thiên hà. Chất khí ở chính giữa của một thiên hà hình thành nên một đĩa xoáy tít khi nó bị hút vào trong lỗ đen. Sức mạnh của lực hút của lỗ đen làm xoáy tít chất khí làm phát ra những lượng năng lượng khổng lồ có thể nhìn thấy ở cách xa nhiều tỉ năm ánh sáng. Các ước tính hiện nay đặt những lỗ đen này nằm trong khoảng giữa một triệu và một tỉ lần khối lượng của mặt trời. Kết quả là chúng được gọi là các lỗ đen siêu khối lượng.

Bằng chứng hiện nay ủng hộ cho việc có một lỗ đen siêu khối lượng nằm tại tâm của mỗi thiên hà, trong đó có thiên hà của chúng ta. Thật vậy, các quan sát quỹ đạo của các sao nằm gần tâm của Dải Ngân hà cho thấy chúng đang chuyển động trong những quỹ đạo ngày càng thu hẹp lại. Những quỹ đạo này có thể hiểu được nếu không-thời gian mà chúng tồn tại trong đó bị bóp méo đáng kể bởi sự có mặt của một lỗ đen siêu khối lượng gấp hơn 4 triệu lần khối lượng của mặt trời.

Bất chấp tên gọi của chúng, nhà vật lí người Anh Stephen Hawking đã chỉ ra rằng các lỗ đen có lẽ không hoàn toàn đen. Ông cho rằng, ở gần chân trời sự cố, sự sản sinh lượng tử của các hạt và phản hạt có thể dẫn tới một sự phát sáng rất yếu. Lóe sáng này, trở nên nổi tiếng là bức xạ Hawking, cho đến nay chưa được phát hiện ra vì nó quá mờ nhạt. Nhưng, theo năm tháng, bức xạ Hawking sẽ đủ để lấy hết năng lượng và khối lượng ra khỏi một lỗ đen, làm cho toàn bộ các lỗ đen cuối cùng bị bốc hơi và biến mất.

Thuyết tương đối rộng: Sóng hấp dẫn

Theo thuyết tương đối rộng, ngay cả không-thời gian trống rỗng, không có ngôi sao và thiên hà nào, cũng có một cuộc sống của riêng nó. Các gợn sóng gọi là sóng hấp đẫn có thể truyền qua không gian theo kiểu giống hệt như các gợn sóng lan đi trên mặt hồ nước.

Một trong những phép kiểm tra còn lại của thuyết tương đối rộng là đo các sóng hấp dẫn một cách trực tiếp. Để kết thúc câu chuyện này, các nhà vật lí thực nghiệm đã xây dựng Đài thiên văn Sóng hấp dẫn Giao thoa kế laser (LIGO) ở Hanford, Washington, và Livingston, Louisiana. Mỗi thí nghiệm gồm các chùm laser phản xạ giữa các gương đặt cách nhau 4 km. Nếu một sóng hấp dẫn đi qua, nó sẽ làm không-thời gian biến dạng một chút, dẫn tới một sự dịch chuyển ở các chùm laser. Bằng cách theo dõi các biến thiên thời gian ở các chùm laser, người ta có thể tìm kiếm các tác dụng của sóng hấp dẫn.

Cho đến nay, không có ai từng phát hiện ra sóng hấp dẫn một cách trực tiếp, nhưng chúng ta thật sự có bằng chứng gián tiếp rằng chúng tồn tại. Khi các pulsar quay xung quanh những ngôi sao rất đặc, chúng ta hi vọng chúng phát ra một luồng đều đặn những con sóng hấp dẫn, mất dần năng lượng trong quá trình đó nên quỹ đạo của chúng từ từ nhỏ đi. Phép đo sự phá vỡ quỹ đạo của các pulsar kép đã xác nhận rằng chúng thật sự mất năng lượng và lời giải thích tốt nhất là những pulsar này đang mất năng lượng ở dưới dạng sóng hấp dẫn.

Sóng hấp dẫn lan truyền trong không gian (Ảnh: Henze/NASA)

Pulsar không phải là nguồn được trông đợi duy nhất của sóng hấp dẫn. Big Bang phải tạo ra sóng hấp dẫn vẫn lan truyền trong vũ trụ dưới dạng những gợn nhẹ nhàng trong không-thời gian. Những con sóng hấp dẫn nguyên thủy này quá yếu để có thể phát hiện ra trực tiếp, nhưng người ta có thể nhìn thấy dấu vết của chúng trên bức xạ tàn dư từ thời Big Bang – phông nền vi sóng vũ trụ. Các thí nghiệm hiện nay đang được triển khai để tìm kiếm những dấu vết này.

Sóng hấp dẫn cũng sẽ được phát ra khi hai lỗ đen va chạm nhau. Khi chúng xoáy trôn ốc về phía nhau, chúng sẽ phát ra một luồng sóng hấp dẫn với một dấu vết đặc biệt. Biết được va chạm đó đủ gần và đủ dữ dội, người ta có thể quan sát chúng với các thiết bị trên trái đất.

Một dự án nhiều tham vọng hơn là Anten Vũ trụ Giao thoa kế Laser (LISA), gồm bộ ba vệ tinh sẽ theo dõi trái đất trong quỹ đạo của nó quay xung quanh Mặt trời. Chúng sẽ phát ra các chùm laser được điều chỉnh hết sức chính xác về phía nhau, giống hệt như LIGO. Mọi con sóng hấp dẫn đi sẽ làm biến dạng không-thời gian đi một chút và dẫn tới một sự dịch chuyển có thể phát hiện ra ở các chùm laser. NASA và Cơ quan Vũ trụ châu Âu hi vọng phóng LISA lên quỹ đạo trong thập niên kế tiếp.

Du hành thời gian

Lí thuyết của Einstein cho phép một khả năng làm say đắm lòng người là du hành thời gian. Người ta đã đề xuất phương pháp thu được kì công này, gồm việc xây dựng các đường hầm gọi là lỗ sâu đục nối liền những phần khác nhau của không gian ở những thời điểm khác nhau. Có thể xây dựng các lỗ sâu đục – trên lí thuyết. Nhưng thật không may, chúng đòi hỏi vật chất có năng lượng âm, và những tình huống vật lí không tự nhiên khác, không chỉ mở chúng ra mà còn cho phép chúng đi qua được. Một khả năng khác là tạo ra một vùng không gian rộng lớn quay tròn, hoặc sử dụng các đối tượng giả thuyết gọi là các dây vũ trụ.

Khả năng du hành thời gian có thể dẫn tới các nghịch lí vật lí, thí dụ như nghịch lí ông-cháu trong đó nhà du hành thời gian đi ngược dòng thời gian và giết chết ông của cô trước khi ông ta gặp bà của cô. Hệ quả là một trong hai người, cha mẹ của cô, không ra đời được và bản thân nhà du hành vũ trụ trên sẽ không tồn tại. Tuy nhiên, người ta cho rằng các nghịch lí vật lí như thế này, trên thực tế, không thể nào tạo ra được.

ST