Câu hỏi tưởng như đùa này thực tế có nguồn gốc từ một trong những "ông hoàng" vật lý Stephen Hawking từ những năm 1970. Mới đây nhất, những mô hình giả lập máy tính cho chúng ta những đáp án hết sức bất ngờ. Nhưng trước hết, hãy nói một chút về lỗ đen (blackhole). Có thể nói phần lớn chúng ta đang hiểu không đúng về lỗ đen hoặc theo kiểu là hiểu một bề (stereotype) mà phần đông do truyền thông "bôi xấu". Hay đơn giản hơn là - lỗ đen không đáng sợ như bạn nghĩ.
Một trong những công thức vật lý nổi tiếng nhất do nhà bác học Isaac Newton mang đến cho nhân loại là công thức tính lực hấp dẫn (hay lực trọng trường). Cụ thể F = G*m1*m2/d^2. Trong đó 2 yếu tố quyết định chính yếu chính là khối lượng của từng vật (m1, m2) và khoảng cách giữa chúng (d). Nói cách khác bạn và anh chàng bên cạnh bạn hút nhau với một lực bao nhiêu sẽ tuỳ thuộc cân nặng và cự ly giữa 2 người.
Và điều tương tự áp dụng cho mọi thứ trong vũ trụ này. Nếu một lỗ đen có khối lượng bằng với Trái Đất (Earth) và đang ở cách bạn 6400 km thì nó cũng chỉ hút bạn với một lực bằng lực hút Trái Đất. Tương tự nếu lỗ đen đó nặng bằng Mặt Trời (Sun) và bạn đang cách nó 1 AU (cự ly Earth - Sun) thì nó cũng hút bạn với một lực tương đương Mặt Trời đang hút bạn. Vì vậy nếu lần sau bạn có đọc ở đâu đó tồn tại một lỗ đen thì trước hết - hãy xem cân nặng của nó là bao nhiêu, và dĩ nhiên, là cả cự ly giữa nó và bạn.
Kích thước của Mặt Trời và Trái Đất nếu hoá thành lỗ đen
Khối lượng là tất cả
Một trong những công thức vật lý nổi tiếng nhất do nhà bác học Isaac Newton mang đến cho nhân loại là công thức tính lực hấp dẫn (hay lực trọng trường). Cụ thể F = G*m1*m2/d^2. Trong đó 2 yếu tố quyết định chính yếu chính là khối lượng của từng vật (m1, m2) và khoảng cách giữa chúng (d). Nói cách khác bạn và anh chàng bên cạnh bạn hút nhau với một lực bao nhiêu sẽ tuỳ thuộc cân nặng và cự ly giữa 2 người.
Và điều tương tự áp dụng cho mọi thứ trong vũ trụ này. Nếu một lỗ đen có khối lượng bằng với Trái Đất (Earth) và đang ở cách bạn 6400 km thì nó cũng chỉ hút bạn với một lực bằng lực hút Trái Đất. Tương tự nếu lỗ đen đó nặng bằng Mặt Trời (Sun) và bạn đang cách nó 1 AU (cự ly Earth - Sun) thì nó cũng hút bạn với một lực tương đương Mặt Trời đang hút bạn. Vì vậy nếu lần sau bạn có đọc ở đâu đó tồn tại một lỗ đen thì trước hết - hãy xem cân nặng của nó là bao nhiêu, và dĩ nhiên, là cả cự ly giữa nó và bạn.
Kích thước của Mặt Trời và Trái Đất nếu hoá thành lỗ đen
Vấn đề duy nhất đáng sợ ở lỗ đen chính là chân trời sự kiện (event horizon). Đó là khu vực mà một khi đã lọt qua, không gì có thể giúp chúng ta "quay xe" được nữa. Chân trời sự kiện được tính theo công thức do nhà thiên văn Karl Schwarzschild đưa ra sau khi ông "đọc hiểu" thuyết tương đối của Albert Einstein, cụ thể rs = 2*G*m/c^2. Trong đó, rs là bán kính Schwarzschild hay bán kính của chân trời sự kiện, m là khối lượng của lỗ đen (hoặc vật thể có thể là lỗ đen).
Dựa vào đó, chúng ta có ví dụ nếu Mặt Trời hoá thành lỗ đen thì bán kính của nó phải dưới 3 km, tức còn bé hơn cả bán kính của Hà Nội hoặc Sài Gòn. Trái Đất mà thành lỗ đen thì bán kính chưa tới 1 cm tức chỉ cỡ hòn bi ve mà lứa 7x, 8x, 9x hồi nhỏ hay chơi. Do vậy nếu chúng ta vẫn giữ nguyên khoảng cách với Mặt Trời hay Trái Đất như hiện tại thì chúng có "đen" cũng chả đáng sợ.
Trên thực tế phần lớn những lỗ đen mà chúng ta hay đọc thấy là những lỗ đen siêu nặng (supermassive blackhole - SMBH). Chúng nặng cỡ hàng vạn lần Mặt Trời trở lên. Với khối lượng như thế thì không cần phải là lỗ đen mà chỉ là sao thôi cũng đã khiếp đảm rồi. Vậy nên hãy nhớ - khối lượng mới là vấn đề chính ở đây.
Khối lượng khổng lồ mới là thứ đáng sợ
Một lỗ đen trong lòng Mặt Trời?
Ý tưởng này được Hawking đưa ra từ cách đây gần nửa thế kỷ. Do đó những ngôi sao có lỗ đen trong lòng được gọi là sao Hawking. Tuy vậy vào thời điểm đó, năng lực tính toán của nhân loại vẫn có hạn nên khả năng hiểu biết của chúng ta về sao Hawking rất hạn chế. Ngày nay với sự hỗ trợ đáng kể của máy tính, nhiều vấn đề đã bắt đầu có câu trả lời. Những gì chúng ta đọc ở đây là kết quả nghiên cứu chung của rất nhiều nhà vật lý trên khắp thế giới, dẫn đầu là Học viện Max Planck (Đức). Chi tiết bản nghiên cứu được đăng trên Tạp chí Vật lý Thiên văn (The Astrophysical Journal).
Có thể tồn tại một lỗ đen trong Mặt Trời nhưng không có gì phải đáng ngại
Quảng cáo
Nếu đã có chút kiến thức về lỗ đen, hẳn bạn sẽ tự đưa ra câu hỏi - Mặt Trời sẽ bị lỗ đen "ăn dần" phải không? Câu trả lời là đúng vậy. Song "ăn" ở tốc độ bao nhiêu và Mặt Trời sẽ trở thành thế nào phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng ban đầu của lỗ đen đó (như đã nêu ở trên, khối lượng là tất cả).
Nhưng tất cả chúng ta vẫn đang tồn tại ở đây, Mặt Trời vẫn toả sáng mỗi khi chúng ta hướng về đó. Vậy là mọi thứ vẫn "tốt đẹp" đúng không? Vâng, các mô hình tính toán cho thấy tại thời điểm hiện tại, nếu lỗ đen đó có khối lượng nhỏ hơn hoặc bằng 1/1,000,000 (10^-6) Mặt Trời thì chúng ta gần như không thể phân biệt được. Những ảnh hưởng từ việc lỗ đen đang tồn tại cho tới các vấn đề của Mặt Trời như cấu trúc, phản ứng hợp hạch, độ sáng... chưa tới 1%, quá nhỏ để có thể nhận ra.
Lỗ đen cần có thêm vật chất để "lớn" nhưng tốc độ "ăn" là có giới hạn
Có 1 vấn đề mà nhiều người không nghĩ tới trên thực tế lỗ đen là một cỗ máy "đốt" nhiên liệu hết sức hiệu quả. Sự tồn tại của một ngôi sao căn bản là quá trình "vật lộn" giữa áp suất hấp dẫn (do khối lượng vật chất tạo ra) sụp đổ vào trong vs. áp suất hợp hạch đẩy ra ngoài. Khi nào 2 nguồn lực này vẫn cân bằng thì ngôi sao vẫn "sống khoẻ". Lỗ đen cũng vậy - nó không chỉ "ăn" vô mà cũng đồng thời "nhả" năng lượng ra ngoài. Nếu toàn bộ không gian quan lỗ đen cũng đậm đặc vật chất thì lỗ đen cũng sẽ "ráng" đẩy bớt vật chất ra xung quanh và điều này cũng góp một phần nhỏ vào quá trình cân bằng áp lực trong lòng ngôi sao. Nói cách khác ngôi sao cũng bị "ăn" từ bên trong nhưng sẽ không quá nghiêm trọng nếu lỗ đen còn "nhỏ" và ảnh hưởng còn ít.
Những kịch bản khác nhau
Trong một bảng so sánh chi tiết, nhóm nghiên cứu lấy kịch bản Mặt Trời có một lỗ đen với khối lượng 10^-11 Mặt Trời ngay từ lúc lọt lòng. Nếu Mặt Trời không có lỗ đen nào, quá trình hợp hạch hydrogen sẽ chiếm khoảng 11 tỷ năm cho tới khi hình thành nhân helium và bán kính của Mặt Trời sẽ nở rộng gấp 100 lần sau 12 tỷ năm khi quá trình đốt helium diễn ra biến Mặt Trời trở thành một sao khổng lồ đỏ. Đây là kịch bản phổ thông như chúng ta đã nghe nhiều và Trái Đất có thể sẽ bị xoá sổ vào giai đoạn này.
Quảng cáo
Kịch bản lỗ đen nặng bằng 10^-11 Mặt Trời
Nhưng trong trường hợp lỗ đen nặng 10^-11 Mặt Trời, mọi thứ sẽ vẫn "ổn" trong 6 tỷ năm đầu tiên (chúng ta đang ở giai đoạn 4.752 tỷ năm). Tại thời điểm hiện tại, khối lượng lỗ đen chỉ tăng thêm 10 lần (10^-10), Mặt Trời gần như không có gì khác so với kịch bản phổ thông. Chỉ sau 6 tỷ năm, quá trình hợp hạch hydrogen kết thúc do khối lượng lỗ đen lúc này đã chiếm khoảng 1/1000 Mặt Trời. Lực hấp dẫn do lỗ đen tạo ra khiến cho mật độ vật chất trong Mặt Trời không còn đủ "đậm đặc" để tổng hợp hạt nhân. Tuy vậy Mặt Trời vẫn "sáng" vì quá trình "ăn" của lỗ đen trên thực tế vẫn là một cỗ máy sản sinh bức xạ. Trái Đất vẫn nhận được "sự ấm áp" từ Mặt Trời, nhưng thay vì từ phản ứng hợp hạch thì đến từ quá trình bồi tụ vật chất.
Một điểm thú vị là sau 6 tỷ năm, ngôi sao Hawking của chúng ta sẽ "phát phì" nhẹ. Nguyên nhân như ở trên, mật độ vật chất không còn đậm đặc như giai đoạn hợp hạch nên vật chất sẽ bị tản mác bớt. Tuy vậy do không tồn tại nhân helium nên giai đoạn sao khổng lồ đỏ sẽ không diễn ra. Kích thước của Mặt Trời có tăng lên nhưng sẽ không tới mức nuốt chửng cả sao Thuỷ (Mercury), sao Kim (Venus) và Trái Đất. Nói cách khác, Trái Đất sẽ thoát "tai kiếp" này! Tuy vậy nhiệt độ bề mặt của hành tinh xanh sẽ lên đến 250 °C và các đại dương sẽ biến mất...
Trái Đất có thể "sống tốt" nếu trong Mặt Trời là một lỗ đen
Nhóm nghiên cứu cũng đồng thời đưa ra một kịch bản khác là lỗ đen có khối lượng khởi thuỷ 10^-10 Mặt Trời (gấp 10 lần kịch bản đầu). Ở tình huống này, việc "ăn" của lỗ đen diễn ra nhanh hơn đáng kể. Sau 2.5 tỷ năm, quá trình hợp hạch kết thúc. Lúc này độ sáng của Mặt Trời hoàn toàn đến từ bức xạ của quá trình bồi tụ vật chất quanh lỗ đen. Sau 4.752 tỷ năm (tuổi Mặt Trời hiện tại), độ sáng của toàn bộ hệ sao-lỗ đen vượt qua nhiều lần kịch bản phổ thông. Chi tiết này cho thấy không thể tồn tại một lỗ đen nặng hơn 10^-10 Mặt Trời ngay trong lòng ngôi sao này từ lúc lọt lòng được.
Không tồn tại khả năng lỗ đen nặng hơn 10^-10 Mặt Trời từ ban đầu
Tuy vậy với kịch bản khối lượng lỗ đen nhỏ hơn hoặc bằng 10^-11 Mặt Trời ngay từ đầu. À thì đó là việc hoàn toàn có thể xảy ra. Như đã nói, ảnh hưởng của lỗ đen ở giai đoạn này gần như không thể nhận ra được.
Có thể phát hiện được lỗ đen trong Mặt Trời không?
Với những gì đã nêu, có thể thấy kết cục của một ngôi sao bình thường và sao Hawking rất khác nhau. Trước hết quá trình tạo thành nhân helium sẽ không xảy ra với sao Hawking. Ngôi sao bình thường sẽ tiếp tục "đốt" helium khi nguồn hydrogen đã cạn và trở thành sao khổng lồ đỏ (red giant). Sao Hawking không có nhân helium nên chỉ trở thành một "tiểu" sao khổng lồ (subgiant) và cuối cùng sẽ là một lỗ đen có khối lượng nhỏ hơn ngôi sao khởi thuỷ. Tuy vậy, tất cả các quá trình này mất hàng tỷ năm để diễn ra và chúng ta không có đủ thời gian để kiểm chứng.
Sao Hawking nhìn không khác sao thường từ bên ngoài
Mặc dù vậy, ngôi sao thường và ngôi sao Hawking về căn bản sẽ khác nhau ở chỗ sao bình thường có nhân hoàn toàn kín đặc còn sao Hawking sẽ có một lỗ rỗng ở giữa. Nhóm nghiên cứu cho biết bằng kỹ thuật chấn động học sao (asteroseismology), chúng ta vẫn có thể phân biệt được liệu lòng ngôi sao có bị rỗng hay không. Chấn động học về cơ bản là phương pháp mà nhân loại dùng để phân tích cấu trúc của Trái Đất có cấu tạo như thế nào. Tương tự, chấn động học sao có thể giúp chúng ta "nhìn" vô trong lòng một ngôi sao như thế nào.
Mô hình sóng âm có thể nói lên cấu trúc một ngôi sao
Một ngôi sao "đặc'' bình thường sẽ có quá trình bồi tụ lõi ở giữa. Sự bồi tụ vật chất này tạo ra các "lớp" có tính chất khác nhau và do đó, khi sóng âm di chuyển qua sẽ phát sinh ra các biến động khác nhau. Nhưng ngôi sao bị rỗng có thể xuất hiện tình trạng "đối lưu" (convective) vì dòng vật chất không "rơi" vào chính giữa. Đặc điểm này có thể khiến cho mật độ vật chất trong sao Hawking được "đồng đều" khắp nơi và dẫn tới chấn động sóng âm khác ngôi sao có nhân đặc. Song, đây chỉ là giả thuyết của nhóm nghiên cứu vì thực tế không rõ nếu lỗ đen có kích thước quá nhỏ thì có gây ra được ảnh hưởng thực tế nào hay không. Dù sao, hướng đi này cũng sẽ mở ra thêm nhiều vấn đề cần nghiên cứu mới cho giới khoa học.
Thêm giải đáp cho vật chất tối?
Một trong những vấn đề nan giải của vật lý hiện đại là vật chất tối, vốn chiếm phần lớn khối lượng vật chất trong vũ trụ. Song với đặc tính không phát sinh bức xạ, cho tới nay chúng ta vẫn chưa "thấy" được chúng. Và chi tiết này vô tình trùng khớp với bản chất của lỗ đen là không phát sinh bức xạ (ngoài vùng chân trời sự kiện). Nếu không có quá trình bồi tụ vật chất, căn bản là chúng ta hoàn toàn "mù" với lỗ đen. Từ đó có giả thuyết cho rằng lỗ đen hay chính xác hơn là lỗ đen tiền sử (primordial blackhole - PBH) là một trong các đại diện cho vật chất tối.
Theo thuyết Big Bang và thuyết tương đối, điều kiện của vũ trụ ở những femtosecond đầu tiên (1/1000 picosecond) là hoàn hảo để cho ra đời các lỗ đen. Quá trình lạm phát (inflation) sau đó đã rải rác chúng ra khắp mọi nơi trong vũ trụ. Với đặc tính thu hút vật chất của mình, PBH rất có thể đã góp phần đáng kể vào việc hình thành ra những ngôi sao và thiên hà đầu tiên. Và sẽ không có gì lạ nếu PBH chính là cái nhân của rất nhiều ngôi sao trong vũ trụ. Đó cũng là một vị trí lý tưởng để "giấu mình" vì nhìn từ bên ngoài, gần như không thể phân biệt được sao bình thường với sao Hawking.
Mô hình vũ trụ với lỗ đen tiền sử xuất hiện ngay từ đầu
PBH cũng có thể là lời giải đáp cho sự tồn tại cho các SMBH xuất hiện từ rất sớm trong vũ trụ này. Có những SMBH được phát hiện đã tồn tại cách đây hàng tỷ năm, nhưng đã có khối lượng lên đến hàng tỷ Mặt Trời trong chúng! Nếu chúng chỉ ra đời bằng quá trình "hấp hối" của những ngôi sao khổng lồ và "ăn thịt" vật chất xung quanh thì SMBH cũng không thể xuất hiện được quá sớm đến vậy! Sự tồn tại của SMBH từ rất sớm cũng là một vấn đề đau đầu của vật lý hiện đại.
Video chi tiết về sao Hawking
Và cuối cùng, có thể Mặt Trời của chúng ta là một ngôi sao hoàn toàn "lành lặn", nhưng không có nghĩa mọi ngôi sao khác cũng vậy. Về mặt lý thuyết và mô hình, nhìn từ bên ngoài sao Hawking không khác gì sao bình thường cho tới khi "hấp hối". Việc hiểu hơn về bản chất và cấu tạo của các ngôi sao cũng là một chìa khoá quan trọng để chúng ta hiểu hơn về bản chất của vũ trụ. Và biết đâu một ngày nào đó, khi nhân loại đã có năng lực để du hành đến những vì sao xa xăm, thì đây sẽ là những bài học giáo khoa cơ bản để con cháu chúng ta có thể tồn tại được ở những chân trời mới.
The Astrophysical Journal
