Tại sao phát hiện ra hố đen lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?


Rất nhiều người cho rằng hố đen là điều kỳ diệu tận cùng của vũ trụ, là vật thể kỳ diệu nhất của tất cả các thiên thể. Hố đen có thể là nơi sinh ra vũ trụ mới và thậm chí sinh ra thiên hà, có thể đánh dấu sự ra đời và kết thúc của thời gian. Lại có người nghĩ rằng hố đen là cách thức thực hiện việc truyền thời gian với vận tốc nhanh hơn cả tốc độ của ánh sáng. Cũng có ý kiến cho rằng hố đen cung cấp năng lượng cho cả dải Ngân Hà.


Dĩ nhiên, trước hết hố đen chỉ là lý luận thiên văn học thế kỷ XX, sau đó là sự huyền bí lớn nhất trong thực tiễn. Phát hiện ra hố đen đã làm cho tri thức khoa học về vũ trụ sâu sắc hơn và đã một lần nữa chứng minh được học thuyết tương đối của Einstein.


Hố đen được phát hiện như thế nào?


Hố đen trên thực tế không phải là một cái hố thực sự mà nó được hình thành từ sự thụt sâu vào trong của các ngôi sao, khi các ngôi sao bị thụt vào thì sức hút của chúng tăng lên gấp bội, lực hút tăng tới khi nào có thể hút được cả ánh sáng (các hạt nhân chuyển động với tốc độ ánh sáng) thì lúc ấy trông chúng giống như một hố đen (trong khoảng không đen kịt của vũ trụ).


Có hai người đã phát hiện được hiện tượng kỳ lạ và khó quan sát này. Người thứ nhất là Karl Schwarzschild, “thần đồng” về thiên văn học người Đức. Khi còn nhỏ, Schwarzschild đã say mê môn cơ học thiên thể (sự vận động của ngôi sao). Năm 16 tuổi (1889), ông đã cho ra đời hai tác phẩm về sự vận động của song tinh. Năm 1900, Schwarzschild công bố tác phẩm của mình trước giới thiên văn học nước Đức, trong đó ông đề cập đến lý luận không gian vũ trụ không phải như không gian ba chiều thông thường, chúng bị kéo và đẩy bởi lực hút và bị uốn cong một cách kỳ lạ. Ông gọi đó là đường cong của không gian.


Năm năm sau đó, Einstein cho ra đời phương trình năng lượng và học thuyết tương đối, trong đó ông cũng đề cập đến vấn đề đường cong của không gian. Năm 1916, khi phục vụ cho quân đội Đức trên chiến tuyến Nga trong chiến tranh thế giới lần thứ hai, Schwarzschild là người đầu tiên đã tháo gỡ được phương trình trong học thuyết tương đối rộng(*). Ông nhận thấy rằng khi một ngôi sao bị thụt vào và mật độ của nó bị co lại thành một điểm khó có thể tưởng tượng thì lực hút của chúng sẽ tăng lên, cho nên các hạt nhỏ phải di chuyển nhanh hơn để thoát khỏi lực hút đó (được gọi là vận tốc chạy trốn). Schwarzschild đã tính toán được rằng khi một ngôi sao khổng lồ bị thụt đến một mật độ vô hạn, vận tốc chạy trốn của chúng có thể nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng. Bất kỳ một vật chất nào cũng không thể thoát khỏi tinh cầu sập này, chúng như một ngôi sao biến mất và không còn tồn tại trong vũ trụ nữa.


Với những nghiên cứu và tính toán này, Schwarzschild đã đưa ra được định nghĩa về hố đen. Thuật ngữ ngày nay chúng ta vẫn dùng để miêu tả hố đen (chân trời vũ trụ, vận tốc chạy trốn) đều do Schwarzschild phát hiện ra vào năm 1916. Ông phát hiện ra hố đen trên cơ sở toán học nhưng ông không tin rằng chúng tồn tại trên thực tế và nó chỉ đơn giản là một bài luyện tập toán mà thôi.


Năm mươi năm sau đó, các nhà thiên văn học mới bắt đầu tìm hiểu kỹ lưỡng về các ngôi sao bị sụp trong lý luận của Schwarzschild. Họ thấy rằng bởi vì không thể nhìn thấy hố đen nên cách duy nhất để nhận ra nó là theo dõi các hành tinh có thể nhìn thấy được, quan sát chuyển động kỳ lạ của chúng, và cuối cùng chứng minh chuyển động này do hố đen bên cạnh nó tạo ra (nhà thiên văn học John Wheeder đã đặt ra thuật ngữ hố đen vào năm 1970).


Năm 1971, nhóm của Wheller đã chứng thực được sự tồn tại của chòm sao Song Tử phát ra tia X, ngôi sao Cygnus X - trong cho Thiên Nga là ngôi sao xoay xung quanh một hố đen và đây là lần đầu tiên các nhà khoa học mới thực sự công nhận sự tồn tại ra hố đen.


Mãi đến năm 2004, giáo sư Phil Charles của trường Đại học Southampton và Mark Wagner ở trường Đại học Arizona mới xác nhận được hố đen nằm trong vùng ánh sáng của dải Ngân Hà cách trái đất khoảng 6000 năm ánh sáng. Tuy nhiên Karl Schwarzschild mới là người đã phát hiện ra hình dạng của hố đen và tìm ra phương thức định vị chúng vào năm 1916.

schoolnet@