Lỗ đen được phát hiện như thế nào? Ngày 1 tháng 8 năm 2019
Một trong những khái niệm được thảo luận nhiều nhất trong cộng đồng vật lý thiên văn là lỗ đen. Một lỗ đen là một thể tích không gian nơi sự hiện diện của trọng lực quá cực đoan đến mức các hạt di chuyển nhanh hoặc ánh sáng không thể thoát ra.
Vì các lỗ đen không phát ra ánh sáng nhìn thấy được, các nhà thiên văn học đã không thể quan sát được hình ảnh rõ ràng của một lỗ đen, do đó việc phát hiện các lỗ đen từ lâu đã không thể thực hiện được - nhưng với những tiến bộ trong công nghệ chân không, điều này không còn đúng nữa.
Phát hiện lỗ đen bằng máy dò sóng trọng lực
Vào ngày 10 tháng 4 năm 2019, các nhà thiên văn học đã có thể chụp được hình ảnh đầu tiên của một lỗ đen bằng Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT). Được hỗ trợ bởi sự hợp tác quốc tế, EHT là một bố trí quy mô hành tinh gồm tám kính viễn vọng vô tuyến ghi lại bức xạ điện từ và kết hợp nhiều nguồn kết quả dữ liệu vô tuyến bằng cách sử dụng phép đo can thiệp đường cơ sở rất dài (VLBI).
Nhờ EHT, bằng chứng trực quan đầu tiên về một lỗ đen siêu lớn, cũng như bóng của nó, đã được minh họa. Lỗ đen này được tìm thấy trên thiên hà Messier 87 và nằm cách Trái đất 55 triệu năm ánh sáng.
Phát hiện này dẫn đến một sự xác nhận lớn đối với Lý thuyết tương đối chung của Einstein. Điều này đánh dấu sự ra đời của khái niệm lỗ đen, được mô tả là "các nồng độ khối lượng cực cao với hiệu ứng trọng lực bao phủ vật chất và thậm chí bẫy ánh sáng".
Máy dò sóng trọng lực cũng đóng một vai trò quan trọng trong cách phát hiện lỗ đen. Vào tháng 12 năm 2018, Đài quan sát sóng trọng lực Interferometer Laser (LIGO) và Interferometer Virgo đã công bố bốn sự kết hợp lỗ đen và sóng trọng lực mới được tạo ra từ 10 sự kết hợp lỗ đen nhị phân sao-khối lượng và sự kết hợp của các ngôi sao neutron.
Lỗ đen và dao động chân không
Một ảnh hưởng đáng kể của việc phát hiện lỗ đen gần đây là hiểu biết mới về Lý thuyết Bức xạ Hawking. Điều này dự đoán rằng các lỗ đen có thể tạo ra và phát ra các hạt phụ nguyên tử cho đến khi chúng cạn kiệt năng lượng và cuối cùng bay hơi.
Từ quan điểm lượng tử, sự tồn tại của các lỗ đen cho thấy chân không của không gian không hoàn toàn trống rỗng. Dao động lượng tử (còn được gọi là dao động trạng thái chân không) là sự xuất hiện tạm thời của các hạt năng lượng từ một không gian trống. Điều này cho phép tạo các cặp hạt-kháng hạt của các hạt ảo. Trường trọng lực mạnh của lỗ đen tách những dao động này thành các hạt đi ra tạo nên bức xạ Hawking.
Cuộc tranh luận khoa học về lỗ đen
Các lỗ đen đã tạo ra một loạt các cuộc thảo luận và tranh luận trong cộng đồng khoa học. Một trong những cuộc tranh luận chính là về sự suy giảm chân không. Điều này dựa trên một lỗ đen tĩnh ở trung tâm của một bong bóng 'làm hạt nhân', thay thế lỗ đen bằng chân không thực sự hoặc làm hạt nhân một bong bóng tĩnh. Kết quả là một lỗ đen còn sót lại được bao quanh bởi chân không thực sự. Người ta tin rằng 'bong bóng' này cuối cùng sẽ chiếm lĩnh thế giới. Tuy nhiên, điều này không tính đến trường trọng lực có thể làm tăng sự không ổn định của chân không do các lỗ đen nhỏ hoạt động như hạt nhân.
Các lỗ đen được đặt ở trung tâm bởi một điểm đặc biệt của trọng lực. Đây là một điểm một chiều bao gồm một không gian rất nhỏ, nơi trọng lực và mật độ trở thành đường cong không gian-thời gian vô hạn. Nhiều người lập luận rằng khi các vật thể rơi vào một lỗ đen và đạt đến độ đặc biệt, chúng sẽ bị thay đổi bởi các lực hấp dẫn khác nhau. Điều này thách thức lý thuyết về Tương đối Tổng quát nhấn mạnh các hiệu ứng lượng tử trong sự tồn tại của các lỗ đen.
Mặc dù kính viễn vọng đóng một vai trò cơ bản trong cách phát hiện lỗ đen, với công nghệ chân không tiến bộ với tốc độ tăng tốc, nhưng đã có đề xuất rằng các ứng dụng trong khoa học chân không như máy va chạm Hadron lớn (LHC) của CERN có thể dẫn đến việc tạo ra các lỗ đen. Điều này là do các hạt được tạo ra khi các cặp proton va chạm nhau. Sự hình thành như vậy sẽ xác nhận các lý thuyết rằng vũ trụ không phải là bốn chiều, mà thay vào đó là chủ các chiều khác.
Lỗ đen duy trì một trạng thái bí ẩn nhất định trong thế giới vật lý. Nhưng với quan sát gần đây, cũng như sự tiến bộ của công nghệ chân không được thấy trong kính viễn vọng và máy dò sóng trọng lực, việc quan sát các lỗ đen sẽ cho phép các nhà nghiên cứu đưa ra dự đoán và khám phá mới về vũ trụ và nguồn gốc của nó.
