Lỗ đen có tự quay như các hành tinh?

Nó tạo ra một vùng không - thời gian có độ cong vô hạn, nơi mà không thứ gì có thể thoát ra từ đó, kể cả ánh sáng.

Các lỗ đen có quay không?

Đây là một câu hỏi thú vị nhưng không đơn giản mà tôi có nhận được trong một bài giảng gần đây của mình. Để giáo đáp nó cho đầy đủ và chính xác, chúng ta cần hiểu rõ về chính những tính chất có thể kiểm chứng của lỗ đen cũng như về bản chất của sự quay.

Tới nay, khái niệm về các lỗ đen quay không phải là mới. Trên thực tế, mọi vật thể trong vũ trụ một khi đã có khối lượng đủ lớn để có dạng cầu thì cũng sẽ đều có sự quay.

Vì khối lượng gây ra lực hấp dẫn, nên mọi vật thể đều có xu hướng tự nén lại - do chính các phần của nó hút lẫn nhau. Với những khối lượng nhỏ, lực nén do hấp dẫn này - thường được gọi là hấp dẫn hướng tâm - nhỏ tới mức không thể gây ra tác động nào đối với vật thể, vì đơn giản là lực liên kết giữa các phân tử của vật chất - đặc biệt là chất rắn - lớn hơn nó nhiều.

Nhưng với khối lượng rất lớn thì khác, lực hấp dẫn quá lớn sẽ khiến cho vật chất được sắp xếp lại cho tới khi nó trở thành dạng cầu. Tức là trạng thái mà lực hấp dẫn hướng vào tâm của vật thể từ mọi hướng là cân bằng với nhau. Đó là cách mà mọi vật thể lớn như một hành tinh hay một ngôi sao có được dạng cầu.

Đồng thời, khi có một khối lượng lớn như vậy, thì có một vấn đề nữa xuất hiện, và cũng liên quan tới lực hấp dẫn. Vì không có bất cứ một ngôi sao hay hành tinh nào là đồng đều một cách hoàn hảo, nên trên thực tế thì lực hấp dẫn ở các khu vực khác nhau của chúng không đều nhau.

Sự chênh lệch này là lý do chính khiến chúng dao động, và từ đó xuất hiện sự quay. Như vậy, mọi vật thể lớn trong vũ trụ đều tự quay vì chính lực hấp dẫn của bản thân chúng.

Thế còn các lỗ đen?

Loại lỗ đen phổ biến nhất mà các nhà khoa học đã biết tới ngày nay là các lỗ đen khối lượng sao. Nó được hình thành từ sự co lại vào cuối đời của lõi các sao nặng. Những sao này thường có khối lượng tối thiểu là 8 tới 10 lần Mặt trời.

Về cuối đời, lõi của chúng co lại rất nhanh do phản ứng nhiệt hạch không còn tạo ra đủ năng lượng để chống lại sự co lại của khối lượng khổng lồ đó. Quá trình co lại đột ngột này gây ra một vụ nổ được coi là một trong những sự kiện dữ dội nhất trong vũ trụ" vụ nổ supernova.

Vụ nổ này phá tung lớp vỏ sao mà trước đó đang ở trạng thái sao siêu khổng lồ đỏ. Lõi còn lại của ngôi sao co lại và sụp đổ để trở thành một lỗ đen.

Tất cả mọi ngôi sao đều tự quay quanh trục của nó (chẳng hạn như Mặt trời của chúng ta có chu kỳ tự quay là hơn 25 ngày). Không khó để đi tới suy đoán rằng thứ được hình thành từ một lõi sao quay cũng sẽ phải quay, vì đơn giản là động lượng đó của nó vẫn còn đó.

Việc đó có lẽ cũng đúng cả với những lỗ đen siêu nặng – những lỗ đen có khối lượng từ hàng trăm nghìn cho tới hàng tỷ lần Mặt trời, nằm ở trung tâm của hầu hết các thiên hà từng được quan sát.

Trên thực tế, khi hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen được công bố vào năm 2019, các nhà khoa học đã nhìn thấy được những vòng xoắn của đĩa bồi tụ bao quanh lỗ đen này. Nó cho thấy đĩa bồi tụ khổng lồ đó đang quay chứ không cố định.

Giống như việc tất cả các sao trong mỗi thiên hà cũng liên tục di chuyển quanh tâm thiên hà (ví dụ Mặt trời của chúng ta mất khoảng 230 triệu năm để di chuyển hết một vòng quanh tâm của Milk Way)

Hai điều cần làm rõ trước khi kết luận lỗ đen tự quay

Toàn bộ khối lượng ban đầu của lỗ đen - theo lý thuyết - được dồn vào một kỳ dị cực nhỏ. Nó nhỏ tới mức mà về mặt toán học thì nó có thể được coi là không có kích thước. Vùng bao quanh kỳ dị đó có một bán kính nhất định (bán kính Schwarzchild) được gọi là chân trời sự kiện của lỗ đen, nhưng nó chỉ là một vùng không - thời gian thuần túy chứ không phải một vật thể như có bề mặt như một ngôi sao hay một hành tinh.

Như vậy, khó mà có thể coi rằng một thứ gì đó không có kích thước, hay một vùng biên không có bề mặt là quay, vì đơn giản là không có sự chuyển động luân phiên của các điểm đến một bề mặt cụ thể.

Không có bất cứ bức xạ nào đi ra được từ phía trong của chân trời sự kiện, cũng có nghĩa là mọi thông tin ở bên trong một lỗ đen đều không thể được biết. Nếu vật chất thực sự bị nghiền nát và sụp đổ hoàn toàn vào một điểm, thì bản thân khoảng không bên trong chân trời sự kiện cũng có thể là một nơi đồng đều tuyệt đối, tức là không có sự quay xuất hiện do chênh lệch hấp dẫn.

Khi đã xét tới hai điểm nêu trên, bạn đừng quên rằng bản thân cái mà chúng ta thấy quay chỉ là đĩa bồi tụ bao quanh lỗ đen mà thôi. Tất nhiên, người ta cũng tính ra được tốc độ quay của một đĩa bồi tụ dựa vào khối lượng của nó khi tính tới cũng như khi không tính tới sự có mặt của lỗ đen ở trung tâm, để từ đó đối chiếu và dự đoán được rằng có vẻ như lỗ đen ở những nơi đó đang quay rất nhanh.

Mặc dù vậy, với việc chúng ta không biết được chút gì về những thứ bên trong chân trời sự kiện, hay thậm chí thứ gì đó cụ thể xảy ra ở ngay rìa của nó, thì việc kết luận rằng các lỗ đen có thực sự quay hay không và chúng quay nhanh tới mức nào vẫn còn là quá sớm.

Tương tự như vậy, điện tích của một lỗ đen cũng là một khái niệm hoàn toàn chỉ tồn tại trên lý thuyết và được tính ra từ việc giải phương trình của Einstein. Không có cách nào để chúng ta xác minh xem điện tích có thực sự tồn tại sau khi bị cuốn vào phía trong chân trời sự kiện của lỗ đen hay không.

Trong tương lai, để biết nhiều hơn về những thông tin này, chúng ta sẽ cần trông đợi những thế hệ kính thiên văn mới và những phương pháp mới để ghi hình và theo dõi được thêm nhiều lỗ đen với độ chi tiết cao hơn nhiều so với những gì đang có ngày này.