“Hãy tưởng tượng như một dòng sông biến thành một thác nước – cho đến nay, chúng ta đã nhìn vào dòng sông. Đây là lần đầu tiên chúng ta nhìn thấy thác nước.”
Các nhà khoa học đã xác nhận, lần đầu tiên, rằng thớt chính của không gian thời gian thực hiện một “cuộc rơi cuối cùng” tại mép của một lỗ đen.
Sự quan sát về khu vực rơi này xung quanh các lỗ đen được thực hiện bởi các nhà thiên văn học tại Bộ môn Vật lý Đại học Oxford, và giúp xác nhận một dự đoán chính của lý thuyết về trọng lực của Albert Einstein năm 1915: thuyết tương đối chung.
Nhóm Oxford đã phát hiện ra điều này khi tập trung vào các vùng xung quanh các lỗ đen có khối lượng của ngôi sao trong các hệ nhị phân với các ngôi sao đồng bộ nằm tương đối gần Trái Đất. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu tia X thu thập từ một loạt các vệ tinh vũ trụ, bao gồm Mảng Kính Xạ Hạt Nhân của NASA (NuSTAR) và Thiết bị Khám Phá Thành Phần Bên Trong Ngôi Sao Hạt Nhân (NICER) gắn trên Trạm Không Gian Quốc Tế.
Dữ liệu này cho phép họ xác định số phận của khí ion hóa nóng và plasma, bóc tróc từ một ngôi sao đồng bộ, rơi xuống cuối cùng ở mép của lỗ đen liên quan của nó. Các kết quả đã chứng minh rằng những khu vực rơi này xung quanh một lỗ đen được gọi là những điểm có ảnh hưởng trọng lực mạnh nhất từng được quan sát trong Dải Ngân Hà của chúng ta.
“Đây là lần đầu tiên chúng ta nhìn thấy cách plasma, bóc tróc từ rìa bên ngoài của một ngôi sao, trải qua cuộc rơi cuối cùng vào trung tâm của một lỗ đen, một quá trình xảy ra trong một hệ thống khoảng 10.000 năm ánh sáng xa,” trưởng nhóm và nhà khoa học Vật lý Đại học Oxford, Andrew Mummery, nói trong một tuyên bố. “Thuyết của Einstein đã dự đoán rằng cuộc rơi cuối cùng này sẽ tồn tại, nhưng đây là lần đầu tiên chúng ta có thể chứng minh nó xảy ra.
“Hãy tưởng tượng như một dòng sông biến thành một thác nước – cho đến nay, chúng ta đã nhìn vào dòng sông. Đây là lần đầu tiên chúng ta nhìn thấy thác nước.”
Lỗ hổng của lỗ đen đến từ đâu?
Thuyết tương đối chung của Einstein gợi ý rằng các vật thể có khối lượng gây ra cái sợi vật liệu của không gian và thời gian, hợp nhất thành một thực thể tứ chiều duy nhất được gọi là “không gian thời gian,” để cong. Trọng lực xuất phát từ sự cong này.
Mặc dù thuyết tương đối chung hoạt động trong không gian thời gian 4 chiều, nó có thể được mô tả một cách mơ hồ thông qua một phép tương đương 2 chiều. Hãy tưởng tượng đặt các quả cầu có khối lượng tăng dần lên một tấm cao su được căng ra. Một quả bóng golf sẽ tạo ra một vết lõm nhỏ, gần như không thể nhận biết; một quả bóng cricket sẽ dẫn đến một vết lõm lớn hơn; và một quả bóng bowling sẽ tạo ra một vết lõm khổng lồ. Đó giống như các mặt trăng, hành tinh và ngôi sao “làm cong” không gian thời gian 4 chiều. Khi khối lượng của một vật thể tăng lên, độ cong mà chúng gây ra cũng tăng lên, và do đó, ảnh hưởng trọng lực của chúng tăng lên. Một lỗ đen sẽ giống như một quả bóng đại bác trên tấm cao su tương ứng đó.
Với khối lượng tương đương với hàng chục, hoặc thậm chí hàng trăm, mặt trời nén thành một chiều rộng xấp xỉ với Trái Đất, độ cong của không gian thời gian và ảnh hưởng trọng lực của các lỗ đen có khối lượng của các ngôi sao có thể trở nên cực kỳ cực đoan. Lỗ đen có thể trở nên rất cực kỳ. Lỗ đen siêu khổng lồ, mặt khác, lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Chúng có khối lượng cực lớn, tương đương với hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ mặt trời, lớn hơn cả những đối tác có khối lượng của ngôi sao.
Trở lại với thuyết tương đối chung, Einstein đã gợi ý rằng sự cong của không gian thời gian này dẫn đến các hiện tượng vật lý thú vị khác. Ví dụ, ông nói, phải có một điểm ngay bên ngoài ranh giới của lỗ đen mà các hạt sẽ không thể tuân theo quỹ đạo tròn hoặc ổn định. Thay vào đó, vật chất vào khu vực này sẽ rơi vào lỗ đen với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.’
Một ngôi sao dường như đang bị kéo vào đĩa tích tụ của một lỗ đen, có vẻ như một quả cầu đỏ đang được truyền vào một đĩa màu cam. Ở trung tâm, có một khe màu xanh lam, từ đó hai cơn bội phát màu xanh lam phun ra dọc theo phương thẳng đứng.
Một ngôi sao “bình thường” nằm trong một hệ nhị phân với một lỗ đen có khối lượng chuyển từ cái trước sang cái sau (Hình ảnh: ICRAR)
Hiểu vật lý của vật chất trong vùng rơi giả thuyết này của một lỗ đen đã là một mục tiêu của các nhà thiên văn học trong một thời gian dài. Để giải quyết vấn đề này, nhóm Oxford đã xem xét xảy ra gì khi các lỗ đen tồn tại trong một hệ nhị phân với một ngôi sao “bình thường”.
Nếu hai ngôi sao đủ gần nhau, hoặc nếu ngôi sao này có kích thước lớn hơn một chút, ảnh hưởng trọng lực của lỗ đen có thể kéo đi vật liệu ngôi sao. Vì plasma này đi kèm với động lượng góc, nó không thể rơi thẳng vào lỗ đen – vì vậy, thay vào đó, nó tạo thành một đám mây xoắn quay phẳng xung quanh lỗ đen được gọi là đĩa tích tụ.
Từ đĩa tích tụ đó, vật chất dần dần được cung cấp cho lỗ đen. Theo các mô hình của lỗ đen ăn, phải có một điểm được gọi là quỹ đạo tròn ổn định nhất (ISCO) – điểm cuối cùng mà vật chất có thể tiếp tục quay ổn định trong một đĩa tích tụ. Bất kỳ vật chất vượt quá điểm này đều ở trong “vùng rơi”, và nó bắt đầu sự rơi không tránh khỏi đến miệng của lỗ đen. Cuộc tranh luận về việc vùng rơi này có thể bao giờ được phát hiện đã được giải quyết khi nhóm Oxford phát hiện ra các bức xạ từ đĩa tích tụ xung quanh một cặp lỗ đen Dải Ngân Hà được gọi là MAXI J1820+070, chỉ vượt quá ISCO.
Nằm khoảng 10.000 năm ánh sáng từ Trái Đất với khối lượng khoảng tám mặt trời, thành phần lỗ đen của MAXI J1820+070 đang kéo vật liệu từ ngôi sao đồng hành của nó trong khi phun ra hai tia chớp kép với tốc độ khoảng 80% tốc độ ánh sáng; nó cũng tạo ra các bức xạ tia X mạnh mẽ.
Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng phổ tia X của MAXI J1820+070 trong một trạng thái “mềm” bùng phát, đại diện cho sự phát xạ từ một đĩa tích tụ xoay, hoặc “Kerr,” quanh một lỗ đen – một đĩa tích tụ đầy đủ, bao gồm cả khu vực rơi.
Các nhà nghiên cứu cho biết kịch bản này đại diện cho việc phát hiện mạnh mẽ đầu tiên của phát xạ từ một khu vực rơi tại mép nội của một đĩa tích tụ lỗ đen.
Họ gọi các tín hiệu như vậy là “phát xạ nội-ISCO.” Những phát xạ nội-ISCO này xác nhận sự chính xác của thuyết tương đối chung trong việc mô tả các vùng ngay lân cận lỗ đen.
Với những phát hiện mới này, chúng ta có được cái nhìn đầu tiên về vùng rơi của vật chất vào lỗ đen, xác nhận tính chính xác của thuyết tương đối chung trong việc mô tả các hiện tượng xung quanh lỗ đen.
Đây là một bước tiến lớn trong việc hiểu biết về cách thức hoạt động của vũ trụ, và là một minh chứng nữa cho sự đúng đắn của các dự đoán của Einstein.
Tham khảo: https://www.space.com/einstein-black-hole-waterfall-matter-infall
