Hố đen M87* (ảnh chụp)
Biến cố khoa học đáng ghi nhớ nhất trong năm 2019 có lẽ là việc các nhà thiên văn học kỳ tài của thế giới lần đầu tiên trong lịch sử nhân loại chụp được ảnh một hố đen. Vâng, một hố đen có mã số M87* (có hoa thị) nằm tại trung tâm dải thiên hà cùng tên M87 (không hoa thị) cách trái đất 55 triệu năm ánh sáng.
Nhưng hố đen là gì?
Hố đen / black hole nguyên thủy là một ngôi sao với khối lượng lớn (ít nhất gấp hai, ba mặt trời của chúng ta) và khi nhiên liệu của ngôi sao này cháy hết (mặc dù có nhiên liệu cháy sáng cả tỉ năm nhưng cũng có lúc cạn, cái gì trên đời cũng vậy) thì việc đương nhiên xảy ra là nó phát nổ. Điều lạ lùng ở đây là nó không nổ tung ra bên ngoài (explode) mà nổ vào trong (implode). Khi nổ như vậy, hấp lực của nó trở nên vô hạn, vô hạn đến nỗi tất cả vật thể, bất cứ thứ gì, kể cả ánh sáng, đều bị nó hút vào bên trong. Từ đó nó là một hố đen, và nó hút vào bất cứ cái gì mon men đến gần.
Nhưng làm cách nào các nhà bác học thiên văn có thể chụp ảnh được hố đen? Chụp ảnh phải có ánh sáng, một vật đen (như mực Tàu) trong một căn phòng kín như bưng, không đèn, không tí ánh sáng, thì dù cho bạn chĩa ống kính sát tận nơi cũng chẳng thể nào ghi nhận được hình ảnh gì. Hố đen vốn đã đen (đen hơn bất cứ thứ gì trên đời bạn có thể tưởng tượng) mà ánh sáng còn bị nó hút vào trong thì làm sao chụp ảnh nó được?
Rất may, vì hấp lực của hố đen quá mạnh (mạnh đến vô han) nên tinh vân và các thiên thể khác lớ ngớ đến gần đều bị nó hút vào. Tinh vân và thiên thế (ngôi sao, chẳng hạn) phát sáng và nhờ đó các nhà thiên văn học biết rằng khi hố đen “nhậu” các món vật này thì sẽ có một vành sáng xung quanh trông như cái bánh donut (thuật ngữ thiên văn học gọi là accretion disk). Thế là, sau nhiều năm dọ dẫm tìm tòi, họ sử dụng cả một dàn mấy chục viễn vọng kính hiện đại nhất gọi là Event Horizon Telescope cùng hội tụ về một điểm và, “tách”, chụp ảnh cái hố đen như trong Hình 1 dưới đây:
Cái “tách” ở đây là hai năm trời chứ không phải hai giây như bạn chụp ảnh cậu con trai ba tuổi thổi cái bánh sinh nhật.
M87* thật ra là một hố đen siêu khối lượng (supermassive back-hole) nằm ngay trung tâm dải thiên hà Messier 87, còn có tên chuyên khoa là Virgo A hay NGC 4486. Dải thiên hà này trải rộng 240 nghìn năm ánh sáng (mỗi năm ánh sáng tương đương với 6 nghìn tỉ dặm, bạn phải vận dụng tối đa sức tưởng tượng của mình để hình dung ra khoảng cách trong vũ trụ) và cách xa trái đất chúng ta đang sinh sống 55 triệu năm ánh sáng. Có nghĩa là chuyện gì xảy ra trên trển, 55 triệu năm sau hình ảnh đó mới được ánh sáng đưa tới mặt đất này. Giả sử các nhà thiên văn học quay được một cái video clip thấy một thiểu nữ đẹp tuyệt trần đang nằm tắm nắng thì bạn chớ mơ tưởng có ngày ôm ấp cô ấy nhé. Hình ảnh linh động của cô gái thu được là ngày hôm nay, nhưng thật ra cô ấy sống cách đây 55 triệu năm, chỉ sau khi loài khủng long tuyệt chủng trên mặt đất này khoảng 10 triệu năm thôi.
Kích cỡ của hố đen M87* là bao nhiêu? Bạn có thể thắc mắc như thế, và các nhà bác học thiên văn đưa ra con số không thể tưởng tượng nổi. Vì là một siêu hố đen nên khối lượng của nó bằng 6 tỉ rưỡi mặt trời! Có nghĩa là nếu đem vật chất ra đong đếm thì nó bằng 6 tỉ rưỡi mặt trời cộng lại. Vật chất thì to lớn kinh khiếp dường ấy, nhưng kích cỡ thì chỉ bằng thái dương hệ của chúng ta thôi, vì hấp lực kinh khiếp khiến nó không dãn nở được. (Một hố đen “be bé” với khối lượng tương đương hai, ba mặt trời thì kích cỡ chỉ bằng quả đất.)
Từ lâu các nhà bác học đã biết về hố đen. Họ áp dụng phương trình trong thuyết Tương đối của nhà bác học kỳ tài nhất thiên hạ, Albert Einstein, để xác định, chí ít trên mặt lý thuyết, sự hiện hữu của nó. Cụm từ black hole là do nhà bác học John Wheeler người Mỹ, cha đẻ bom hạch nhân, một hôm đâu quãng thập niên 40 vui miệng thốt ra, nghe có vẻ nôm na mách qué nhưng lại rất tượng hình nên từ đó trở nên thông dụng.
Hố đen hút vào tất cả vật chất kể cả ánh sáng, điều đó có lẽ không đúng hẳn. Nhà bác học Stephen Hawking người Anh, một khối óc vĩ đại khác, bảo hố đen không hút vào tất cả mà nhả vật chất ra thành một luồng phóng xạ cực mạnh. Người ta lấy tên ông gọi luồng phóng xạ này là Hawking Radiation. Có lần người ta dùng viễn vọng kính không gian Hubble chụp ảnh được luồng phóng xạ. Xin xem Hình 2.
Luồng phóng xạ từ hố đen M87* phóng ra với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, gần 300 nghìn km một giây, và có chiều dài 5 nghìn năm ánh sáng. Mới đây, dùng viễn vọng kính Chandra chạy bằng quang tuyến X, các nhà bác học đã xác định như thế. Hình 3 không phải ảnh chụp mà là bản vẽ để chúng ta có thể tưởng tượng thêm về hiện tượng lạ lùng này trong vũ trụ.
Khi nhắc đến hố đen, những thắc mắc thường nghe là: Cái gì hiện hữu bên trong hố đen? Nếu ta bị hố đen hút vào thì sẽ ra sao? Liệu mặt trời của thái dương hệ chúng ta đang sinh sống có cơ nguy biến thành một hố đen hay không? Xa hơn nữa, liệu có ngày tất cả vũ trụ biến thành hố đen không, bởi gặp cái gì hố đen cũng nuốt vào bụng như thế, biết đâu chừng cả vũ trụ có ngày bị nó nuốt ráo trọi? A, toàn những câu hỏi không có câu trả lời. Hố đen không phát sáng thì làm sao chúng ta biết được cái gì nằm bên trong. Chẳng cần nói nhiều, ai rơi vào hố đen thì chắc chắn không có ngày ra. Ông Hawking bảo nếu bạn bị hố đen hút vào thì thân xác bạn sẽ biến thành mì sợi spaghetti ngay! Có người đi xa hơn bảo hố đen là con đường dẫn ta sang một vũ trụ khác! (Lý thuyết có không phải một mà vô hạn vũ trụ, thuật ngữ gọi là multiverse, càng ngày càng được chấp nhận trong khoa vật lý học dựa trên thuyết Lượng tử.)
Một điều bạn có thể yên trí ngủ yên là: mặt trời của chúng ta sẽ không bao giờ biến thành hố đen vì khối lượng của nó không lớn đủ. Các nhà bác học sau khi quan sát các vì sao khác trong vũ trụ bảo mặt trời sau khi cháy hết nhiên liệu sẽ biến thành một red giant thiêu rụi trái đất và nhiều hành tinh khác trong thái dương hệ, và sau đó nó sẽ là một white dwarf thoi thóp chờ cơ hội hồi sinh thành một ngôi sao khác hay cho đến khi vũ trụ tan biến. Nhưng đó là chuyện khác, phải đợi 5 tỉ rưỡi năm nữa mới rõ thực hư.
Hố đen tiếp tục thu hút trí tưởng tượng của con người, và hy vọng với những viễn vọng kính tối tân chưa hay đang được chế tạo trong tương lai, chúng ta sẽ có ngày biết thêm về một thiên thể kì quái nhất trong vũ trụ này.
Lý Thuyết Văn Học Thực Hành Phê Bình