HỐ ĐEN: NGÀY TÀN của một ngôi sao | SAMURICE

Trong công cuộc khám phá vũ trụ, điều khiến nhiều người ngạc nhiên nhất có lẽ là ở những đám bụi khí. Họ không tưởng tượng được nổi tại sao nhiều hành tinh dù chỉ là những đụn khí khổng lồ có thể nặng đến thế. Nó chỉ là khí thôi mà! Nhưng rồi khi ta đổ thêm khí vào những khối cầu đó, đổ nhiều đến mức nó nặng lên gấp bội, một điều kỳ diệu đã xảy ra, một ngôi sao đã ra đời.

Tại sao lại như vậy? Tại sao những đụn khí lại có thể nặng nề đến thế? Tại sao các ngôi sao lại ra đời nhờ những khối khí này? Tất cả đều được trả lời bởi một khái niệm nền tảng cho cả vũ trụ, trọng lực. Và mọi thứ cùng bắt đầu với một thiên tài, người đã nhìn lên bầu trời và tự hỏi vì sao táo lại rơi.

Khi nhắc đến trọng lực, chúng ta thường nghĩ đến ngay câu chuyện nhờ quả táo rơi mà nhà thiên tài Issac Newton đã tìm ra được những định luật đầu tiên của chuyển động.

Tưởng tượng bạn đang đứng trên tàu. Khi tàu tiến lên phía trước thì bạn sẽ chịu một lực vô hình, như thể đang bị ai đó đẩy về sau khiến bạn ngã ngửa. Ngược lại, nếu con tàu thắng phanh, bạn sẽ cảm thấy như có ai đó đang đẩy mình ra trước. Đây đều là những chuyển động dựa trên bộ luật mà Newton đã nghĩ ra từ năm 1686 trong cuốn “Các nguyên lý toán học tự nhiên”.

Bộ luật của Newton đã là xương sống cho gần như mọi lý thuyết vật lý ta đang nghiên cứu ngày nay. Tuy nhiên, đây không phải là tuyệt phẩm duy nhất thiên tài này từng nghĩ ra. Năm 1666, khi mới 23 tuổi, Newton đã nhìn vào các nghiên cứu về cách vật chất hoạt động trong thế giới này của các siêu thiên tài tiền nhiệm như Galeileo Galilei và Robert Hooke và nói rằng: ông đã hiểu trọng lực là gì.

Theo Newton, trọng lực là lực hấp dẫn giữa 2 điểm vật chất hay chất điểm có vector nằm trên đường nối giữa 2 chất điểm này. Dù gặp nhiều tranh luận về việc ai là người nghĩ ra khái niệm trên, Newton hay Hooke, nhưng tất cả các nhà khoa học thời bấy giờ đều công nhận phương trình về lực hấp dẫn của Newton là chuẩn chỉ và đã đóng góp cực lớn vào công cuộc phát triển vật lý lý thuyết.

Tuy nhiên, Newton hay Hooke và sâu xa hơn nữa là cả Galeileo đều nhận thấy sự tồn tại của trọng lực và mô tả nó theo lời của mình chứ chưa một ai hiểu rằng trọng lực là cái gì và nó sinh ra từ đâu. Và điều này chỉ được làm sáng tỏ sau gần 200 năm kể từ khi Newton công bố tuyệt phẩm của mình.

Có lẽ cho tới nay, ai cũng biết gương mặt của người đàn ông hóm hỉnh với công thức còn dễ nhớ hơn cả bảng cửu chương, Albert Einstein. Sinh ra là một đứa trẻ đặc biệt với bộ não có nhiều chức năng hơn so với nhu cầu, ông đã nhanh chóng trở thành một trong những nhà khoa học tiên phong trong thế giới của vật lý lý thuyết và trở thành người có ảnh hưởng nhất nhì trên thế giới.

Khi nhìn vào bộ luật của thần tượng và công thức tính lực hấp dẫn của ông, Einstein nhận ra có những thiếu sót cần được bổ sung. Với Einstein, biết về trọng lực là một chuyện, hiểu được và vận dụng được nó là một chuyện khác. Vậy nên trong suốt những năm từ 1907 tới 1915, Einstein đã vắt óc nghĩ về khái niệm siêu hình này và cuối cùng đã công bố ra lý thuyết mang lại nhiều gạch đá nhất thời bấy giờ, Thuyết Tương Đối.

Được nhìn nhận như sản phẩm bác bỏ toàn bộ công trình của thiên tài Newton, Thuyết Tương Đối của Einstein ngay lập tức bị nhiều nhà khoa học phủ nhận và coi là trò đùa. Tuy nhiên, khi đưa những lý thuyết đó vào kiểm chứng, các con số không hề sai.

Và khi không một ai có thể chứng minh là Einstein sai, ông nghiễm nhiên là người đúng đắn. Vậy, thuyết tương đối của Einstein là gì mà lại quan trọng đến vậy?

Khi nghiên cứu về thuyết tương đối, Einstein đã nhận thấy rằng khối lượng vật chất với năng lượng liên hệ mật thiết. Liên hệ này không chỉ được thể hiện thông qua cách đốt than thì sinh ra lửa mà nó còn có liên quan tới chuyển động. Vật nặng để trên cao sẽ có thế năng cao hơn so với vật nặng để trên mặt đất. Vật càng nặng ở càng cao thì sẽ có thế năng càng lớn.

Cục gạch để trên nóc tủ, khi rơi xuống có thể sẽ làm vỡ sàn. Vậy Mặt Trăng thì sao? Nó ở trên cao như thế thì khi nó rơi xuống sẽ có tác động gì? Những câu hỏi tưởng chừng như vô nghĩa đó lại dẫn Einstein đến với việc hiểu ra bản chất của chuyển động và sự tồn tại của khái niệm thời không.

Bao lâu nay ta vẫn luôn nghĩ về Trái Đất như một cục đất đặc có lực hấp dẫn lớn đối với chúng ta. Điều đó có nghĩa là nếu ta đứng trên cao, ta sẽ có thế năng và khi ngã xuống ta sẽ rơi xuống đất. Nhưng khi ta nghĩ lớn hơn, đặt mình ở vị trí khác, xa hơn, cao hơn, chứng kiến một người đang đứng ở độ cao khổng lồ và xa xa phía dưới là Trái Đất thì mọi thứ sẽ khác.

Trong vũ trụ này không có gì là đứng yên, mọi vật đều đang di chuyển. Mặt trời đang bay trong vũ trụ, Trái Đất bay quanh mặt trời và ta thì đang đứng trên Trái Đất. Vậy nên việc sử dụng Trái Đất làm gốc hệ quy chiếu sẽ chẳng khác gì ngồi trên xe hơi và nghĩ rằng mình đang đứng im cả. Ở trên xe, ta và xe đang đứng yên còn thế giới sẽ tiến về phía ta. Nhưng nếu ta đứng bên ngoài, xe mới là thứ di chuyển. Vậy khi ta đứng ở góc nhìn xa xa kia, người đứng trên cao có đang nhảy vào Trái Đất không hay Trái Đất đang rơi về phía họ?

Sự khác biệt về góc nhìn tạo ra một câu hỏi về tương quan của vạn vật, về lý do tại sao mọi thứ lại di chuyển theo những vector lực mà ta đã vẽ ra. Và nếu nhìn sâu hơn, ta sẽ nhận ra chẳng có đường thẳng nào thực sự tồn tại. Đường xá có thẳng đến mấy thì nó cũng là đường cong trên bề mặt hành tinh hình phỏm cầu.

Vũ trụ cũng như vậy, chẳng có gì thẳng, chẳng có gì là cố định, mọi thứ đều tương đối, kể cả thời gian. Vũ trụ này không có chung một đồng hồ. Một giờ ở Trái Đất không phải một giờ trên Sao Hỏa. Mỗi một điểm trong không gian vô tận sẽ có một kiểu thời gian riêng. Thời gian cũng là tương đối bởi vì nó chỉ là một phần trong bể vô tận mang tên thời không hay Spacetime.

Và điều khiến một vật ở trên cao có thế năng lớn hơn sẽ chính là nền tảng khiến trọng lực tồn tại. Trong lực thực ra không phải là một lực, nó là kết quả của một sự tác động, tác động của vật chất lên thời không. Vật chất càng nặng, càng đặc thì nó tác động lên thời không càng mạnh, dẫn tới trọng lực càng lớn. Đó là lý do vì sao Mặt Trời có trọng lực lớn đến vậy, bởi vì nó là một khối siêu khổng lồ. Đó là lý do vì sao chúng ta đứng trên mặt đất chứ không bay lơ lửng, vì Trái Đất siêu đặc và siêu nặng, tạo ra trọng lực siêu khổng lồ và ta không thể thoát khỏi nó một cách dễ dàng.

Trọng lực là kết quả sinh ra từ tác động của vật chất lên thời không. Đây là nguồn gốc của Trọng lực, thứ mà Einstein đã bổ sung cho Newton thông qua học thuyết vĩ đại của mình.

Trọng lực là một khái niệm tương đối đơn giản và dễ hiểu. Chỉ cần vật chất có khối lượng, nó sẽ ảnh hưởng tới thời không và khiến các vật chất khác quanh nó bị cuốn vào. Nói nôm na, càng béo thì càng hấp dẫn, nhưng điều đó không có nghĩa là còi cọc mỏng tang thì không có sức hút. Kể cả những phân tử tí hon như Hydro cũng có khối lượng của riêng nó.

Khối lượng không phải là trọng lượng, nó không được xác định bởi cân nặng của một vật khi ta cân đo nó trên Trái Đất. Khối lượng có nhiều định nghĩa khác nhau nhưng về cơ bản ta có thể hiểu nó là tổng các hạt phân tử mà một vật nắm giữ. Một nắm khí Hydro chắc chắn sẽ nhẹ tới mức ta không thể cảm nhận được nhưng ở không gian vô tận của vũ trụ, một nắm khí Hydro vẫn có khối lượng, vậy nên nó vẫn tạo ra trọng lực quanh mình…dù đây là một trọng lực vô cùng nhỏ.

Điều đó có nghĩa là với trọng lực tí hon của nắm khí đó, nó vẫn có khả năng hút những vật chất khác. Và đó chính là điều đã xảy ra ngoài kia.

Khi Vũ trụ ra đời, vật chất được bắn khăp nơi và thời không được nở rộng ra với tốc độ và nhiệt độ siêu lớn. Tuy nhiên khi mọi thứ bắt đầu nguội đi, thời không nở chậm hơn, vật chất có thể bắt đầu ngưng đọng lại dưới tác động của trọng lực. Rồi qua thời gian, từ một triệu năm cho tới vài chục triệu năm, những đụn khí Hydro tí hon bỗng trở thành một khối khí Hydro khổng lồ với khối lượng lên tới cả trăm triệu tấn. Càng béo thì càng hấp dẫn, khối khí tưởng nhẹ như lông hồng đó thực chất lại nặng hơn cả Trái Đất, liên tục hút thêm vật chất quanh mình. Nó càng lớn thì lại càng hút mạnh, càng hút mạnh thì lại càng lớn. Và cuối cùng, khi nó đã hút đủ vật chất, trọng lực nó tạo ra mạnh tới mức nó ép các phân tử phải xích lại gần nhau hơn, tạo ra điều kiện cho phép các phân tử trao đổi Electron và trở thành một chất hoàn toàn mới. Đây chính là phản ứng nhiệt hạch.

Ban đầu, trọng lực không đủ để ép các phân tử xích lại gần nhau, chúng chỉ là một đống khí bay lơ lửng quanh nhau. Nhưng khi khối lượng của đụn khí đó đạt mức cực đại, trọng lực khổng lồ ép các phân tử khí phải xích lại gần nhau. Hai phân tử Hydro bị ép lại gần nhau tạo ra Deuterium, 3 phân tử Hydro thì bị ép lại thành Tritium. Và rồi quá trình này tiếp tục, ép Deuterium lại gần Tritium và chúng buộc phải ôm nhau, hy sinh một Electron và trở thành một chất hoàn toàn mới, Heli.

Quá trình tổng hợp Hydro tạo ra Heli đã không chỉ khai sinh ra vật chất mới mà còn giải phóng năng lượng quanh nó. Năng lượng được giải phóng là bức xạ, có thể được xác định dưới nhiều dạng khác nhau như ánh sáng, nhiệt và điện từ. Không chỉ dừng ở đó, quá trình này còn tạo ra phản ứng dây chuyền khiến Hydro liên tục bị ép thành Heli và giải phóng năng lượng. Từ đó, từ trong lõi của đụn khí bỗng có ánh sáng, có lực đẩy ra, làm đối trọng với trọng lực đang ép vào, khiến cả khối khí bừng lên.

Đây chính là sự hình thành của một ngôi sao. Từ những hạt khí nhỏ, qua thời gian, tích tụ lại thành đụn khí khổng lồ và kích hoạt quá trình phản ứng nhiệt hạch như bom hạt nhân, tỏa sáng, tỏa nhiệt và thao túng không gian quanh mình.

Tuy nhiên lợi thế trên chỉ đến với những đụn khí đủ lớn. Nhưng đụn khí không đủ to béo để tạo ra đủ trọng lực sẽ chỉ là những hành tinh khí ga khổng lồ.

Tại sao có những đụn khí chỉ là hành tinh khí ga trong khi có những đụn khí lại trở thành các ngôi sao?

Lý do chính nằm ở khối lượng khí mà nó có quanh mình khi bắt đầu quá trình hấp thụ vật chất bằng trọng lực. Nếu quanh đụn khí khởi điểm chỉ có một lượng khí nhỏ, nó sẽ không thể hấp thụ đủ khí để trở thành ngôi sao. Nhưng nếu quanh đụn khí đó có đủ lượng khí khổng lồ, nó sẽ có đủ vật chất để tích tụ thành một lò phản ứng hạt nhân loài vũ trụ.

Và ở đâu thì mới có những khối khí khổng lồ như vậy?

Câu trả lời sẽ khiến nhiều người phải vỡ òa. Nó đến từ những kiệt tác của tạo hóa, những đám mây bụi của thiên hà, những đám Tinh Vân.

Các đám mây tinh vân này sẽ cung cấp đủ vật chất để một ngôi sao được ra đời. Và nếu đám mây đó đủ lớn thì lượng khí tích tụ lại còn nhiều nữa. Các ngôi sao cũng nhờ đó mà có sự khác biệt về thể hình, độ sáng và độ tuổi.

Những đám mây lớn chắc chắn sẽ có điều kiện tạo ra những ngôi sao lớn hơn so với đám mây nhỏ. Những ngôi sao lớn được đặt cho cái tên là Giants, những người khổng lồ. To hơn các Giants sẽ là các Super Giant. Vậy mặt trời của chúng ta thì sao? Nó chỉ là một ngôi sao bình thường nằm giữa dòng đời của các ngôi sao, khi nó đã được hình thành, được nuôi đủ lâu và chưa đến những ngày tàn của mình.

Sao có chết không? Dù nghe có vẻ buồn nhưng sự thực là các vì sao cũng có ngày phải đắp chiếu, chỉ là để đến tới ngày đó thì nó sẽ mất cả trăm cho tới triệu triệu năm.

Với những ngôi sao cỡ vừa, trọng lực của nó không quá lớn, đây là lúc nó sẽ bắt đầu kết thúc quá trình phản ứng nhiệt hạch và phình to lên thành một sao đỏ khổng lồ, Red Giant. Khi nó phình đủ lớn, khối khí của nó sẽ được giải phóng ra thiên hà dưới dạng một tinh vân hành tinh, một đám mây khổng lồ bao quanh một lõi sáng, nơi vẫn vô cùng sáng nhưng rồi sẽ nguội dần và tắt sáng vì quá trình phản ứng nhiệt hạch rồi cũng sẽ hoàn toàn kết thúc. Đây là một sao lùn trắng, cực đặc và cực sáng.

Nhưng đó là với sao cỡ vừa, một ngôi sao siêu lớn như một Giant thì sao? Mọi thứ vẫn đi theo diễn biến như vậy. Nó vẫn phình ra, đỏ ửng lên thành một Red Super Giant. Nhưng rồi đến đây, mọi thứ bắt đầu có sự khác biệt.

Dù sao đã phình lên và bắt đầu mất năng lượng, vì tổng khối lượng của ngôi sao vẫn quá khổng lồ, trọng lực vẫn quá lớn nên quá trình phản ứng nhiệt hạch vẫn bị ép phải tiếp diễn. Từ khí Heli, ngôi sao sẽ ép nó để tổng hợp thành vật chất tiếp theo là Carbon. Đến đây thì liệu ngôi sao có tiếp tục phản ứng nữa không? Câu trả lời là có.

Quá trình phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng, tạo ra sự cân bằng cho trọng lực thì ngôi sao mới tồn tại. Nhưng đó là khi ta tổng hợp Hydro thành Heli. Khi tổng hợp Heli thành Carbon, lực tỏa ra không mạnh bằng quá trình tổng hợp trước đó, khiến cân bằng trọng lực mất hẳn đi và bây giờ ngôi sao lại tiếp tục chịu thua trước trọng lực khổng lồ của nó.

Từ Carbon, ngôi sao tiếp tục tổng hợp thêm, biến Carbon thành Neon. Rồi từ Neon thành Oxy. Và từ Oxy, nó bị ép phải tạo ra Silicon. Và tới khi chạm ngưỡng Silicon, một chuyện không lành sẽ xảy ra.

Silicon chỉ có thể tiếp tục tổng hợp thành Sắt. Nhưng để sắt tiếp tục tổng hợp thành vật chất tiếp theo, nó không những không đủ năng lượng để chống lại trọng lực mà còn đòi hỏi nhiều năng lượng hơn nữa chỉ để duy trì quá trình tổng hợp. Vậy là khi Silicon được tổng hợp thành sắt, ngôi sao đã hoàn toàn thua cuộc trong ván cờ cân bằng giữa trọng lực và phản ứng nhiệt hạch. Ngôi sao tự hủy, tạo ra vụ nổ huy hoàng của vũ trụ mang tên Siêu Tân Tinh, một Supernova.

Chuyện gì sẽ xảy ra sau vụ nổ siêu tân tinh? Kết quả sẽ phụ thuộc vào khối lượng ban đầu của ngôi sao gây ra vụ nổ đó. Nếu ngôi sao đó có khối lượng vừa đủ lớn, vụ nổ sẽ sinh ra một sao Neutron, cục năng lượng siêu đặc, siêu siêu sáng và quay siêu nhanh, tỏa ra các sao xung cực lớn.

Nhưng nếu ngôi sao đó siêu to khổng lồ thì sao? Một ngôi sao siêu bự, siêu lớn, siêu to, sau khi tổng hợp đến sắt và tự hủy thành một siêu tân tinh, những thứ còn lại sẽ nằm ngoài tưởng tượng của chúng ta. Tuy nhiên, nó lại nằm trong tưởng tượng của Einstein.

Theo Einstein, khi một siêu sao khổng lồ nổ siêu tân tinh, thứ để lại vẫn sẽ phải có một siêu trọng lực, một thứ trọng lực mạnh hơn bất cứ thứ gì ta từng tưởng tượng ra, mạnh hơn bất cứ ngôi sao nào, mạnh hơn bất cứ siêu tân tinh nào, mạnh tới mức trọng lực này sẽ bẻ cong toàn bộ thời không quanh mình, khiến vector di chuyển của ánh sáng bị lệch hướng và di chuyển vào trong khối siêu siêu siêu đặc ở trung tâm vụ nổ. Và bởi vì ánh sáng không thể thoát khỏi trọng lực của khối siêu đặc này, ta không thể nhìn thấy khối siêu đặc đó. Từ đây, khái niệm HỐ ĐEN được ra đời.

Đây sẽ là nơi mà ánh sáng không thể thoát ra ngoài, mang trên mình khối lượng khổng lồ trong một không gian siêu hẹp, siêu đặc, khiến trọng lực của nó phải vượt mức tưởng tượng. Khối đặc này cực đoan tới mức, ta không biết nó sẽ có tác động gì lên thời không quanh nó. Liệu nó có thể bẻ gãy thời không không? Hay nó chỉ bóp méo thời không tới mức ta không thể hiểu nổi nó trông như thế nào nữa?

Cho dù có thế nào thì toàn bộ những thông tin trên, toàn bộ những câu chuyện vừa kể cũng chỉ là một mẩu nhỏ trong bộ não siêu đẳng của Einstein. Ông đã đưa thuyết tương đối đến với mọi người và ông cũng đã tưởng tượng ra thứ gọi là hố đen.

Tất cả đều là giả thuyết và tưởng tượng. Nhưng nó thực tế đến mức mọi thứ ta nhìn thấy trên trời đều đúng với giả thuyết đó. Chỉ có điều, trăm nghe không bằng một thấy, vậy khi ta không thể nhìn thấy hố đen, làm cách nào mà ta tin được nó tồn tại?