Lỗ đen

Lỗ đen là gì:

Lỗ đen là một hiện tượng không gian có tỷ lệ rất cao (thường lớn hơn mặt trời) và khối lượng cực kỳ nhỏ gọn, dẫn đến trường hấp dẫn mạnh đến mức không có hạt hoặc bức xạ nào có thể thoát ra.

Xem xét rằng ngay cả ánh sáng bị hút, các lỗ đen là vô hình và sự tồn tại của chúng chỉ được chứng minh bằng các hậu quả hấp dẫn có thể quan sát được xung quanh, đặc biệt là do sự thay đổi quỹ đạo của các thiên thể gần, hiện đang bị thu hút vào lỗ đen.

Về lý thuyết, chỉ có thứ gì đó di chuyển với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng mới có thể chịu được trường hấp dẫn của lỗ đen. Vì lý do này, không thể biết chắc chắn điều gì xảy ra với vấn đề bị hút.

Làm thế nào lớn là một lỗ đen?

Lỗ đen tồn tại trong các kích cỡ khác nhau. Trẻ vị thành niên được khoa học gọi là lỗ đen nguyên thủy và được cho là có kích thước của một nguyên tử, nhưng với tổng khối lượng của một ngọn núi.

Các lỗ đen trung bình (có khối lượng gấp 20 lần tổng khối lượng mặt trời) được gọi là sao . Trong loại này, lỗ đen nhỏ nhất được phát hiện có khối lượng mặt trời gấp 3, 8 lần.

Các lỗ đen lớn nhất được xếp vào danh mục được gọi là siêu khối, thường được tìm thấy ở trung tâm của các thiên hà. Một ví dụ, ở trung tâm dải Ngân hà là Nhân Mã A, một lỗ đen có khối lượng tương đương với 4 triệu lần khối lượng mặt trời.

Cho đến nay, lỗ đen lớn nhất được biết đến được gọi là S50014 + 81, có khối lượng bằng bốn mươi tỷ lần khối lượng mặt trời.

Làm thế nào để lỗ đen hình thành?

Các lỗ đen được hình thành từ sự sụp đổ lực hấp dẫn của các thiên thể. Những hiện tượng này xảy ra khi áp lực bên trong của một cơ thể (thường là các ngôi sao) không đủ để duy trì khối lượng riêng của nó. Vì vậy, khi hạt nhân của ngôi sao sụp đổ do trọng lực, thiên thể phát nổ sẽ giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ vào một sự kiện được gọi là siêu tân tinh .

Đại diện trực quan của một siêu tân tinh.

Trong siêu tân tinh, trong một phần của giây, toàn bộ khối lượng của ngôi sao bị nén vào hạt nhân của nó trong khi di chuyển với tốc độ khoảng 1/4 tốc độ ánh sáng (bao gồm, tại thời điểm này, các yếu tố nặng nhất của vũ trụ được tạo ra).

Sau đó, vụ nổ sẽ tạo ra một ngôi sao neutron hoặc, nếu ngôi sao đủ lớn, kết quả sẽ là sự hình thành của một lỗ đen, có khối lượng tập trung thiên văn tạo ra trường hấp dẫn nói trên. Trong đó, tốc độ thoát (vận tốc cần thiết cho một số hạt hoặc bức xạ để chống lại lực hút) ít nhất phải lớn hơn tốc độ ánh sáng.

Các loại lỗ đen

Nhà vật lý lý thuyết người Đức Albert Einstein đã đưa ra một loạt các giả thuyết liên quan đến trọng lực làm cơ sở cho sự xuất hiện của vật lý hiện đại. Tập hợp ý tưởng này được gọi là Lý thuyết tương đối rộng, trong đó nhà khoa học đã thực hiện một số quan sát sáng tạo về tác động hấp dẫn của các lỗ đen.

Đối với Einstein, các lỗ đen là "biến dạng trong không-thời gian gây ra bởi lượng vật chất tập trung khổng lồ". Các lý thuyết của ông đã thúc đẩy sự tiến bộ nhanh chóng của khu vực và cho phép phân loại các loại lỗ đen khác nhau:

Lỗ đen Schwarzschild

Các lỗ đen của Schwarzschild là những lỗ không có điện tích và cũng không có xung lực góc, nghĩa là không quay quanh trục của nó.

Lỗ đen Kerr

Các lỗ đen của Kerr không có điện tích nhưng chúng xoay quanh trục của chúng.

Lỗ đen Reissner-Nordstrom

Các lỗ đen Reissner-Nordstrom có ​​điện tích nhưng không quay quanh trục của chúng.

Hố đen Kerr-Newman

Các lỗ đen Kerr-Newman được tích điện và quay xung quanh trục của chúng.

Về lý thuyết, tất cả các loại lỗ đen cuối cùng trở thành lỗ đen Schwarzschild (tĩnh và không tích điện) khi chúng mất đủ năng lượng và ngừng quay. Hiện tượng này được gọi là quá trình Penrose . Trong những trường hợp này, cách duy nhất để phân biệt một lỗ đen với Schwarzschild khác là đo khối lượng của nó.

Cấu trúc của một lỗ đen

Các lỗ đen là vô hình vì trường hấp dẫn của chúng không thể xuyên qua được ngay cả đối với ánh sáng. Do đó, một lỗ đen có sự xuất hiện của một bề mặt tối mà từ đó không có gì được phản chiếu và không có bằng chứng về những gì xảy ra với các yếu tố bị hút vào đó. Tuy nhiên, từ việc quan sát các tác động mà chúng gây ra trong môi trường xung quanh, khoa học cấu trúc các lỗ đen trong chân trời sự kiện, điểm kỳ dị và không gian vũ trụ .

Chân trời của sự kiện

Ranh giới của trường hấp dẫn của lỗ đen mà từ đó không có gì được quan sát được gọi là chân trời sự kiện hoặc điểm không quay trở lại .

Biểu diễn đồ họa của một chân trời sự kiện, được NASA cung cấp, trong đó một quả cầu hoàn hảo được quan sát từ nơi không có ánh sáng được phát ra.

Mặc dù nó thực sự chỉ là hậu quả hấp dẫn, nhưng chân trời sự kiện được coi là một phần của cấu trúc của lỗ đen bởi vì nó là khởi đầu của khu vực quan sát được của hiện tượng.

Được biết, hình dạng của nó là hình cầu hoàn hảo trong các lỗ đen tĩnh và xiên trong các lỗ đen quay.

Do sự giãn nở của thời gian, lực ảnh hưởng của khối lỗ đen lên không-thời gian khiến cho chân trời sự kiện, thậm chí vượt ra ngoài phạm vi của nó, có những tác động sau:

• Đối với một người quan sát ở xa, một chiếc đồng hồ gần chân trời sự kiện sẽ di chuyển chậm hơn so với một người khác ở xa hơn. Do đó, bất kỳ vật thể nào bị hút vào lỗ đen dường như sẽ chậm lại cho đến khi nó dường như bị tê liệt theo thời gian.
• Đối với một người quan sát ở xa, vật thể tiếp cận chân trời sự kiện sẽ giả sử có màu đỏ, hậu quả của hiện tượng vật lý được gọi là dịch chuyển đỏ, vì tần số ánh sáng bị giảm bởi trường hấp dẫn của lỗ đen.
• Từ quan điểm của vật thể, thời gian sẽ trôi qua với tốc độ gia tốc cho toàn vũ trụ, trong khi đối với chính nó, thời gian sẽ trôi qua bình thường.

Điểm kỳ dị

Điểm trung tâm của một lỗ đen, nơi khối lượng của ngôi sao trở nên tập trung vô hạn được gọi là điểm kỳ dị, trong đó ít ai biết về nó. Về lý thuyết, điểm kỳ dị chứa tổng khối lượng của ngôi sao đã sụp đổ, được thêm vào khối lượng của tất cả các vật thể bị hút bởi trường hấp dẫn, nhưng không có thể tích hoặc bề mặt.

Không gian

Không gian vũ trụ là một khu vực bao quanh chân trời sự kiện trong các lỗ đen quay, trong đó không thể để một thiên thể đứng yên.

Tuy nhiên, theo thuyết tương đối của Einstein, bất kỳ vật thể quay nào cũng có xu hướng kéo không gian gần với nó. Trong một lỗ đen quay, hiệu ứng này mạnh đến mức cần thiết cho một thiên thể di chuyển theo hướng ngược lại với tốc độ lớn hơn tốc độ của ánh sáng để đứng yên.

Điều quan trọng là không nhầm lẫn giữa các hiệu ứng của không gian vũ trụ với các tác động của chân trời sự kiện. Không gian vũ trụ không thu hút các vật thể với trường hấp dẫn. Do đó, bất cứ thứ gì tiếp xúc với nó sẽ chỉ bị dịch chuyển trong không-thời gian và sẽ chỉ bị thu hút nếu nó giao nhau với chân trời sự kiện.

Lý thuyết Stephen Hawking về hố đen

Stephen Hawking là một trong những nhà vật lý và vũ trụ học có ảnh hưởng nhất trong thế kỷ 20 và 21. Trong số rất nhiều đóng góp của mình, Hawking đã giải quyết một số định lý do Einstein đưa ra cho lý thuyết rằng vũ trụ bắt đầu từ một điểm kỳ dị, củng cố thêm cái gọi là Lý thuyết Vụ nổ lớn

Hawking cũng tin rằng các lỗ đen không hoàn toàn đen, nhưng phát ra một lượng nhỏ bức xạ nhiệt. Hiệu ứng này được biết đến trong vật lý là Bức xạ Hawking . Giả thuyết này dự đoán rằng các lỗ đen sẽ mất khối lượng với bức xạ được giải phóng và, trong một quá trình cực kỳ chậm, sẽ giảm dần cho đến khi biến mất.