Khởi nguồn ý tưởng về lỗ đen

Hình minh họa

Chúng ta thường nghĩ lỗ đen là một phát minh trong thế kỷ 20, khi Albert Einstein công bố thuyết tương đối rộng vào năm 1916 và nhà vật lý đồng nghiệp Karl Schwarzschild sử dụng các phương trình của ông để hình dung ra một vùng không – thời gian hình cầu bị biến dạng quá mức xung quanh một khối vật chất đậm đặc ở trung tâm, khiến nó gần như vô hình với thế giới bên ngoài. Tuy nhiên, cha đẻ thực sự của khái niệm lỗ đen là John Michell, một mục sư người Anh sống ở thế kỷ 18.

John Michell (1724 – 1793) từng theo học tại Đại học Cambridge và tham gia công tác giảng dạy ở đó một thời gian trước khi trở thành mục sư của thị trấn Thornhill, Vương quốc Anh. Michell có thân hình thấp bé, nước da ngăm đen và hơi béo, nhưng bù lại ông khá tài giỏi và là một triết gia xuất sắc. Mặc dù chỉ là mục sư của một thị trấn nhỏ, ông có mối quan hệ thân thiết với nhiều nhà khoa học nổi tiếng đương thời như Joseph Priestley, Benjamin Franklin và Henry Cavendish.

Michell quan tâm đến nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Ông bắt đầu nghiên cứu từ tính và chứng tỏ rằng lực từ do mỗi cực của nam châm sinh ra giảm theo bình phương khoảng cách. Sau khi xảy ra một trận động đất lớn ở Lisbon (Bồ Đào Nha) vào năm 1755, ông đề xuất ý tưởng các trận động đất lan truyền dưới dạng sóng trong lòng đất, đặt nền móng cho sự ra đời của lĩnh vực địa chấn học. Với những đóng góp to lớn của mình, ông được bầu làm thành viên của Hiệp hội Hoàng gia.

Trong lĩnh vực vật lý, Michell đã thiết kế một thí nghiệm sử dụng lò xo xoắn để đo mômen lực nhỏ một cách chính xác. Dựa vào mô hình thí nghiệm này, Cavendish tiến hành đo lực hấp dẫn giữa hai vật mang khối lượng trong phòng thí nghiệm và xác định giá trị của hằng số hấp dẫn (G). Michell cũng là người đầu tiên áp dụng phương pháp thống kê vào thiên văn học. Ông nghiên cứu sự phân bố các ngôi sao trên bầu trời đêm và phát hiện nhiều ngôi sao không xuất hiện một cách ngẫu nhiên mà sắp xếp thành từng cặp hoặc tập hợp thành nhóm. Phân tích của ông cung cấp bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của hệ sao nhị phân và cụm sao.

Trong lá thư gửi cho Cavendish vào tháng 11/1783, Michell lần đầu tiên đưa ra ý tưởng về một vật thể khối lượng lớn khiến ánh sáng không thể thoát ra khỏi lực hấp dẫn của nó – thứ ngày nay chúng ta gọi là lỗ đen. Giả thuyết này ra đời khi Michell đang tìm kiếm một phương pháp hiệu quả để xác định khối lượng của các ngôi sao. Ông trình bày chi tiết ý tưởng của mình trong một bài báo được công bố trên tạp chí của Hiệp hội Hoàng gia Anh.

Michell tin vào lý thuyết hạt ánh sáng của Isaac Newton. Ông lập luận khi ánh sáng phát ra từ một ngôi sao, lực hấp dẫn của ngôi sao sẽ làm giảm tốc độ và năng lượng của các hạt ánh sáng. Ông nghĩ rằng có thể tính toán tốc độ ánh sáng đã giảm đi bao nhiêu phần trăm bằng cách cho nó truyền qua một lăng kính. Ông so sánh hình ảnh khúc xạ ánh sáng của những ngôi sao khác nhau để xác định sự khác biệt về trọng lực trên bề mặt của chúng, và từ đó tính toán khối lượng tương ứng của chúng.

Michell suy nghĩ về những gì sẽ xảy ra nếu một ngôi sao đủ nặng và lực hấp dẫn của nó mạnh đến mức vận tốc để thoát ra khỏi trường hấp hẫn của ngôi sao tương đương với tốc độ ánh sáng. Ông kết luận: “Nếu một khối cầu [ngôi sao] có khối lượng tương tự Mặt trời nhưng bán kính nhỏ hơn 500 lần, mọi ánh sáng phát ra từ bề mặt của nó sẽ bị kéo ngược trở lại do tác động của lực hấp dẫn. Trong vũ trụ tồn tại nhiều thiên thể như vậy. Tuy nhiên, chúng trở nên vô hình trước sự quan sát của các nhà thiên văn học do không phát ra ánh sáng.”

Michell cho rằng, có thể gián tiếp phát hiện những “ngôi sao đen” nếu chúng có “ngôi sao ghép đôi” sáng chói quay xung quanh. Quan sát các hệ sao nhị phân như vậy là một trong những cách mà các nhà thiên văn học hiện đại dùng để tìm kiếm lỗ đen.

Tuy nhiên, Michell đã nhận định sai về tốc độ ánh sáng. Năm 1905, Einstein chứng minh rằng ánh sáng truyền đi với tốc độ không đổi trong không gian và không phụ thuộc vào trọng lực. Do đó, việc Michell sử dụng sự thay đổi của vận tốc ánh sáng để xác định khối lượng một ngôi sao là điều không thể.

Vài năm sau khi Michell dự đoán sự tồn tại của các ngôi sao đen có khả năng hút được cả ánh sáng, nhà toán học Pierre-Simon Laplace cũng đề xuất một khái niệm tương tự trong cuốn sách “Exposition du Système du Monde” xuất bản năm 1796.

Cộng đồng khoa học bắt đầu nghi ngờ tính đúng đắn về lý thuyết hạt ánh sáng của Newton khi Thomas Young thực hiện thí nghiệm giao thoa ánh sáng vào năm 1799, chứng minh ánh sáng có tính chất sóng. Kể từ đó, khái niệm về ngôi sao đen của Michell – được xây dựng dựa trên lý thuyết hạt ánh sáng – cũng dần bị lãng quên.

Nhờ các thành tựu vật lý mang tính đột phá trong thế kỷ 20, Einstein, Schwarzschild, Robert Oppenheimer, Stephen Hawking đã phát triển ý tưởng của Michell, từng bước xây dựng các lý thuyết hiện đại về lỗ đen và dự đoán những đặc điểm của nó. Nhà vật lý John Wheeler là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “lỗ đen” (black hole) khi ông tham gia diễn thuyết tại Hiệp hội Thiên văn học Hoa Kỳ vào năm 1968.

Lỗ đen có nhiều kích thước khác nhau, trong đó hố đen có kích cỡ trung bình là loại phổ biến nhất. Chúng hình thành khi một ngôi sao khổng lồ chết đi hoặc sau vụ nổ siêu tân tinh. Phần lõi còn lại của ngôi sao bị sụp đổ bởi lực hấp dẫn của chính nó. Vật chất tích tụ lại ở một điểm kỳ dị với mật độ cực lớn. Những lỗ đen như vậy nặng hơn Mặt trời khoảng 10 lần.

Lỗ đen siêu lớn có khối lượng lớn gấp hàng tỷ lần so với Mặt Trời. Các nhà khoa học đến nay vẫn chưa hiểu chúng hình thành như thế nào, nhưng nhiều khả năng chúng xuất hiện ngay sau vụ nổ Big Bang và tồn tại ở trung tâm của hầu hết các thiên hà. Dải Ngân hà, hay thiên hà Milky Way, nơi chúng ta đang sống quay tròn xung quanh lỗ đen Sagittarius A* có khối lượng lớn gấp 4 triệu lần Mặt trời.

Vào tháng 4/2019, nhóm nghiên cứu quốc tế thuộc chương trình Kính thiên văn Chân trời sự kiện (EHT) đã công bố bức ảnh đầu tiên chụp lỗ đen nằm ở trung tâm thiên hà Messier 87, cách Trái đất gần 54 triệu năm ánh sáng. Không dừng lại ở đó, nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch quay phim lỗ đen siêu lớn Sagittarius A* nằm ở trung tâm dải Ngân hà vào năm 2020.