Nghiên cứu về lỗ đen nhận giải Nobel Vật lý 2020

Lỗ đen vũ trụ.

Lỗ đen là gì?

Năm 1915, Albert Einstein đưa ra thuyết đương đối rộng trong đó mô tả hấp dẫn là một hiệu ứng của không-thời gian thay vì là một lực. Khu vực bị ảnh hưởng của sự uốn cong không - thời gian do khối lượng được gọi là trường hấp dẫn. Tới năm 1916, Einstein chính thức công bố phương trình trường của thuyết tương đối rộng.

Một nghiệm đặc biệt của phương trình Eistein được tìm ra bởi nhà vật lý Karl Schwarzschild, mô tả sự sụp đổ vật chất khi một vật có khối lượng co lại tới một bán kính nhất định tương ứng - gọi là bán kính Schwarzschild. Sự sụp đổ đó có thể tạo thành một kỳ dị và uốn cong một vùng không-thời gian xung quanh tới độ cong vô hạn khiến cho mọi tia sáng đều không thể thoát ra khỏi nó. Toàn bộ vùng không-thời gian đó có một đường biên gọi là chân trời sự kiện. Những gì nằm phía trong của chân trời sự kiện, nơi không thứ gì có thể thoát ra được gọi là lỗ đen.

Mặc dù chính Einstein đã không đồng tình với ý tưởng cho rằng có những vật thể như lỗ đen có thể tồn tại trong vũ trụ, nhưng cho tới nay thì ngoài việc đáp ứng về mặt lý thuyết, lỗ đen cũng đã được phát hiện ra nhiều lần thông qua hiệu ứng gián tiếp mà chúng tác động lên xung quanh. Đặc biệt năm 2019, các nhà khoa học ở dự án kính thiên văn và chân trời sự kiện (một dự án sử dụng kết hợp dữ liệu của rất nhiều đài quan sát lớn trên thế giới) đã có được bức ảnh đầu tiên chụp khu vực đĩa sáng bao quanh một lỗ đen siêu nặng.

Các loại lỗ đen

Lỗ đen khối lượng sao: Đây là những lỗ đen hình thành do sự sụp đổ vào cuối đời của các sao nặng. Những sao như vậy có khối lượng lớn hơn Mặt trời nhiều lần. Khi chết, chúng kết thúc bằng một vụ nổ supernova, thổi tung các lớp ngoài còn lõi trong cùng co lại và sụp đổ để tạo thành lỗ đen. Những lỗ đen này có khối lượng lớp hơn từ vài lần với tới vài chục lần Mặt Trời.

Lỗ đen siêu nặng: Các nhà thiên văn học cho rằng có một lỗ đen siêu nặng ở trung tâm của hầu hết các thiên hà. Thiên hà của chúng ta (Milk Way) có một lỗ đen như vậy với khối lượng gấp hơn 4 triệu lần khối lượng của Mặt Trời, tên là Sagitarius A* (viết tắt là Sgr A*). Lỗ đen đã được chụp hồi năm 2019 là một lỗ đen siêu nặng nằm ở trung tâm của thiên hà M87, cách chúng ta khoảng 55 triệu năm ánh sáng. Lỗ đen của M87 có khối lượng gấp 6,5 tỷ lần Mặt Trời và lỗ đen lớn nhất từng được biết tới cho tới hiện nay.

Giải Nobel Vật lý 2020

3 người đoạt giải Nobel năm 2020 gồm Roger Penrose, Reinhard Genzel và andrea Ghez là những người đã có cống hiến lớn trong việc nghiên cứu các lỗ đen.

Roger Penrose đã sử dụng các phương pháp toán học khéo léo để chứng minh rằng lỗ đen là hệ quả trực tiếp của thuyết tương đối rộng của Albert Eintein. Bản thân Einstein cũng không tin rằng các lỗ đen thực sự tồn tại, những con quái vật siêu nặng đó có thể bắt giữ mọi thứ đi vào trong chúng. Không có gì thoát ra, kể cả ánh sáng. Tháng 1/1965, 10 năm sau cái chết của Einstein, Roger Penrose đã chứng minh rằng các lỗ đen thực sự có thể hình thành và mô tả chúng một cách chi tiết. Ở trung tâm của chúng, các lỗ đen có một kỳ kị nơi mà mọi định luật của tự nhiên đều không có giá trị.

Reinhard Genzel và Andrea Ghez mỗi người đứng đầu một nhóm các nhà thiên văn học bắt đầu tập trung nghiên cứu một khu vực được gọi là Gagitarius A* bắt đầu từ những năm 1990. Quỹ đạo của các sao sáng ở gần trung tâm của thiên hà được vẽ lại với độ chính xác ngày càng cao. Các phép đo của cả hai nhím nghiên cứu khiwps với nhau và cả hai tìm ra rằng một hệ vật thể siêu nặng, vô hình kéo lấy các ngôi sao, khiến chúng lao đi với tốc độ chóng mặt. Một khối lượng khoảng 4 triệu lần Mặt Trời được gói gọn trong một vùng không hề lớn hơn Hệ Mặt Trời của chúng ta.

Sử dụng những kính thiên văn lớn nhất thế giới, Genzel và Ghez đã phát triển những phương pháp đẻ nhìn xuyên qua những đám mây chứa khí và bụi liên sao khồng lồ vào tới trung tâm của Milky Way. Mở rộng thêm các giới hạn của công nghệ, họ đã tạo ra những kỹ thuật mới để giải quyết được những biến dạng (của ánh sáng) do khí quyển của Trái Đất, xây dựng những công cụ độc đáo và theo đuổi nghiên cứu trong khoảng thời gian dài. Công việc mang tính tiên phong của họ đã mang lại cho chúng ta những bằng chứng thuyết phục nhất từng có về lỗ đen siêu nặng ở trung tâm của Milky Way.

Đặng Vũ Tuấn Sơn (Chủ tịch Hội Thiên văn học trẻ Việt Nam)