Vn-Z.vn Ngày 21 tháng 01 năm 2024, Liệu trung tâm mặt trời có phải là một lỗ đen? Quan điểm tưởng chừng như thái quá này thực ra lại có cơ sở khoa học.

Chúng ta biết rằng một lỗ đen trong tự nhiên phải có khối lượng ít nhất gấp hai hoặc ba lần khối lượng mặt trời (giới hạn Oppenheimer), vì vậy nếu có lỗ đen trong Mặt Trời, thì đó chắc chắn không phải là loại lỗ đen cấp sao hình thành từ sự co bóp của ngôi sao, mà chỉ có thể là lỗ đen nhỏ hơn. Tuy nhiên, ngay cả khi nén toàn bộ Mặt Trời thành một lỗ đen, bán kính của nó cũng chỉ khoảng 3 km. Vì vậy, nếu tâm của Mặt Trời là một lỗ đen, thì lỗ đen này rõ ràng sẽ rất rất nhỏ. Lỗ đen nhỏ như vậy đến từ đâu?

Vâng, tất nhiên đó là "lỗ đen nguyên thủy"!

Do vào thời điểm đó, vũ trụ chưa có ngôi sao, nên những lỗ đen này không cần phải trải qua bước co bóp của ngôi sao. Chúng được hình thành trực tiếp từ các đám mây khí nguyên thủy trong vũ trụ, do đó kích thước của chúng không bị hạn chế. Chúng có thể lớn đến hàng triệu lần khối lượng của Mặt Trời; trong khi cũng có thể nhỏ đến mức mà mắt thường không thể nhìn thấy.


Có người có thể nói: "Lỗ đen nhỏ như vậy, chắc chắn đã bị phát tán hơi bởi bức xạ Hawking từ lâu rồi chứ?"

Thực sự cũng không nhất thiết!

Lý thuyết cho biết, tốc độ bốc hơi của lỗ đen nghịch với bình phương khối lượng của nó, do đó, lỗ đen nhỏ hơn thì thực sự bốc hơi nhanh hơn. Nếu một lỗ đen bắt đầu bốc hơi từ thời điểm vũ trụ ra đời và cho đến ngày nay vẫn chưa hoàn toàn bốc hơi, thì lỗ đen đó sẽ là lỗ đen nhỏ nhất mà lý thuyết trong tự nhiên có thể tồn tại, và khối lượng của nó được gọi là "giới hạn bốc hơi Hawking," khoảng 10 tỷ tấn.
"10 tỷ tấn" lúc đầu có vẻ lớn, nhưng thực tế, khối lượng này chỉ tương đương với một đồi nhỏ. Nếu nhấn chút một đồi thành lỗ đen, kích thước của nó tối đa chỉ bằng kích thước của một nguyên tử. Nói cách khác, chỉ cần lỗ đen này lớn hơn một nguyên tử, nó có khả năng tồn tại đến ngày nay.

Lỗ đen không dễ nhìn thấy từ trước, và lại càng nhỏ nữa. Vậy nếu trong vũ trụ thực sự tồn tại loại lỗ đen siêu nhỏ mà chúng ta hoàn toàn không thể nhìn thấy, và chúng tồn tại số lượng lớn, liệu có cảm giác rằng chúng giống như một thứ chúng ta luôn tìm kiếm nhưng chưa tìm thấy được không? Đúng vậy, đó chính là vật chất tối. Điều này cũng là lý do mà lỗ đen nguyên thủy được xem xét như một ứng viên có thể là vật chất tối.

Nếu chỉ tính lỗ đen hình thành từ sự phát triển của ngôi sao, dường như Dải Ngân Hà của chúng ta có thể chứa khoảng 100 triệu lỗ đen cấp sao như vậy. Trung bình, khoảng cách giữa chúng là khoảng 1 triệu đơn vị thiên văn, tương đương với 16 năm ánh sáng. Nhưng nếu ta tính cả lỗ đen nguyên thủy siêu nhỏ mà ta vừa nói đến, thì mỗi khoảng cách trung bình giữa các lỗ đen trong Dải Ngân Hà sẽ giảm xuống chỉ còn 1 đơn vị thiên văn, vượt xa so với số lượng và mật độ của ngôi sao trong Dải Ngân Hà. Nếu điều này là đúng, việc ngôi sao bắt giữ một lỗ đen nhỏ hoàn toàn có thể là một sự kiện có khả năng lớn, thậm chí có thể là nguyên nhân của việc hình thành một số ngôi sao.

Quan điểm về "sự tồn tại của lỗ đen trong ngôi sao" có thể được truy nguồn về một bài báo của Stephen Hawking vào những năm 1970.


Trong bài viết đó, Stephen Hawking mô tả khả năng tồn tại của một loại thể chất sụp đổ do trọng lực với khối lượng cực thấp ở trung tâm của ngôi sao. Sau đó, người ta phát hiện rằng ước lượng này của Hawking có vẻ hợp lý. Bởi vì người ta nhận thấy rằng lượng neutrino mà Mặt Trời phát ra và tính toán lý thuyết có một sự chênh lệch đáng kể. Do đó, có người đặt giả thiết rằng, ngoại trừ quá trình hợp nhất hạt nhân, có thể còn cách khác để Mặt Trời tạo ra năng lượng.

Chúng ta biết rằng, quá trình lỗ đen tiêu thụ vật chất chủ yếu thông qua đĩa hấp thụ. Điều này có nghĩa là trước tiên, bằng cách sử dụng lực triều, vật thể sẽ bị rách ra, tạo ra một cấu trúc đĩa khí có mật độ cao xung quanh. Trong quá trình tiến về phía trung tâm, khi vận tốc xoay ở các vòng trong và ngoại vi không đồng nhất, sẽ tạo ra sự ma sát và va chạm mạnh mẽ giữa các hạt khí. Quá trình này tạo ra một lượng lớn năng lượng và phát ra ngoại vi. Về mặt hiệu suất chuyển đổi năng lượng, đĩa hấp thụ của lỗ đen ít nhất cũng có thể đạt được 10% trở lên, so với quá trình hợp nhất hạt nhân chỉ là dưới 1%.


Năng lượng được tạo ra thông qua quá trình hấp thụ của lỗ đen có thể thay thế quá trình hợp nhất hạt nhân để chống lại sự co bóp của trọng lực trong ngôi sao. Đồng thời, nó không tạo ra neutrino dư thừa như phản ứng hợp nhất, do đó giả thuyết này hoàn toàn có thể giải thích vấn đề thiếu sót neutrino của Mặt Trời. Do đó, người ta đã đặt tên cho loại ngôi sao này chứa lõi có thể là lỗ đen siêu nhỏ là "Hawking Star" (Ngôi sao Hawking).

Tuy nhiên, vào cuối thế kỷ 20, một phát hiện không ngờ đã đưa vấn đề này điều tra sâu hơn.

Năm 1998, máy quan trắc siêu Kamiokande ở Nhật Bản, ban đầu được thiết kế để theo dõi hiện tượng suy giảm của proton, lần đầu tiên phát hiện hiện tượng dao động của neutrino. Khái niệm dao động của neutrino là nguyên tắc mà theo đó neutrino sẽ "thay đổi hương vị" trong quá trình di chuyển. Ở đây, "hương vị" là một đặc tính cơ bản của các hạt tương tự như khối lượng và điện tích. Sự thay đổi "hương vị" có nghĩa là neutrino chuyển từ một loại neutrino sang loại neutrino khác.

Do neutrino từ Mặt Trời chủ yếu được tạo ra thông qua quá trình hợp nhất của hydro và helium, lý thuyết cho rằng chúng chỉ có thể phát ra neutrino điện. Các bộ dụng cụ quan trắc trước đây đã được thiết kế để bắt neutrino điện này. Tuy nhiên, trong quá trình di chuyển đến Trái Đất, ít nhất một nửa trở lên của những neutrino điện này đã "thay đổi hương vị". Những neutrino đã thay đổi "hương vị" này không thể bị bắt giữ bởi các thiết bị quan trắc, vì vậy vấn đề về thiếu sót neutrino từ Mặt Trời đã xảy ra.

Sau khi máy quan trắc siêu Kamiokande phát hiện hiện tượng dao động của neutrino, các nhà khoa học thực sự đã quan trắc được tất cả các loại neutrino mà Mặt Trời phát ra. Với việc này, vấn đề về thiếu sót neutrino từ Mặt Trời đã được giải quyết, và ý tưởng về "trong Mặt Trời có lỗ đen" cũng dần được quên đi.

Tuy nhiên, gần đây, một bài báo được xuất bản trong "Tạp chí Vật lý Thiên văn" đã tái khám phá các trường hợp cụ thể về sự phát triển của các ngôi sao có lõi là lỗ đen.

Có thể bạn cũng tò mò: Nếu có một lỗ đen trong một ngôi sao, liệu lỗ đen này có nuốt chửng toàn bộ ngôi sao từ trong ra ngoài không?

Để làm rõ vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các mô hình hấp thụ khác nhau và khối lượng ban đầu của lỗ đen khác nhau để mô phỏng quá trình tiến hóa của Mặt Trời có lỗ đen ở trung tâm. Kết quả khiến họ ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng, nếu khối lượng ban đầu của lỗ đen đủ nhỏ, thì bề mặt của Mặt Trời sẽ gần như không khác biệt so với một ngôi sao bình thường, chỉ có sự khác biệt rõ ràng trong giai đoạn cuối cùng khi nó trở thành một ngôi sao đỏ lớn.

Đối với một lỗ đen có khối lượng nhỏ như một hành tinh, chỉ có kích thước hạt nhỏ, nó sẽ có ảnh hưởng rất hạn chế đối với môi trường xung quanh và quá trình nuốt chửng vật chất của ngôi sao cũng sẽ diễn ra rất chậm, dẫn đến tuổi thọ của ngôi sao chứa lỗ đen này kéo dài hơn nhiều so với ngôi sao bình thường. Tuy nhiên, khi khối lượng ban đầu của lỗ đen lớn hơn (ví dụ như khối lượng của Trái Đất), lúc này lỗ đen sẽ như một con quái vật xen vào bên trong ngôi sao, liên tục nuốt chửng và phát triển, cho đến khi đào sâu vào bên trong ngôi sao.

Trong quá trình tiêu thụ vật chất của ngôi sao, khi năng lượng được tạo ra từ quá trình hấp thụ của lỗ đen đủ lớn, phản ứng hợp nhất nhân của Mặt Trời sẽ bị buộc phải dừng lại, sau đó Mặt Trời sẽ tiếp tục sáng và nóng như một ngôi sao bình thường trong hàng tỷ năm. Sau đó, Mặt Trời sẽ phình to thành một dạng sao đỏ nhỏ hơn nhiều so với sao đỏ lớn thông thường. Lúc đó, lớp ngoại cùng của Mặt Trời sẽ không đạt đến quỹ đạo của Sao Hỏa như thông thường, mà chỉ dừng lại khoảng 1/10 quỹ đạo của Sao Thủy.

Mặc dù trong trường hợp này trái đất có thể thoát khỏi những hậu quả tiêu cực, nhưng cuộc sống trên trái đất có thể không có may mắn như vậy. Lượng nhiệt độ phát ra từ mặt trời khi nó phình to có thể làm sôi sục đại dương không ngừng. Đối mặt với trái đất biến thành "lẩu cá hồi", trừ khi con người di cư ra khỏi hệ Mặt Trời, nếu không toàn bộ nền văn minh của chúng ta sẽ kết thúc ở đây. Và kết cục của Mặt Trời cũng sẽ không còn là một ngôi sao trắng lùn, cuối cùng nó sẽ trở thành một lỗ đen nhỏ có khối lượng dưới mức của Mặt Trời.

Những suy đoán trên nghe có vẻ như là những câu chuyện kỳ ảo, liệu có cách nào để kiểm tra chúng không?

Thông qua nghiên cứu về sóng động đất, chúng ta có thể hiểu về cấu trúc bên trong trái đất. Tương tự, nghiên cứu về rung động của các ngôi sao cũng giúp chúng ta hiểu biết về bên trong của chúng, được gọi là "seismology sao", hay "astroseismology" trong thiên văn học.

Hiện tại, dựa trên nghiên cứu astroseismology của Mặt Trời, chúng ta không thấy dấu hiệu của sự tồn tại của lỗ đen trong bên trong. Tất nhiên, cũng không loại trừ khả năng lỗ đen quá nhỏ đến mức không thể phát hiện. Ví dụ, nếu lỗ đen bên trong Mặt Trời chỉ có khối lượng của Sao Thủy (khoảng 1mm đường kính), thì hiện tại chúng ta thực sự không thể phát hiện được nó.

Với việc không thể phát hiện được, liệu rằng tuyên bố "trong bên trong ngôi sao có lỗ đen" có phải chỉ là một suy luận trí tưởng tượng không?

Với trình độ khoa học kỹ thuật của loài người hiện tại, dựa trên nghiên cứu về các ngôi sao cụm hình cầu và các ngôi sao trắng, hiện tại các mô hình hiện có khó có thể giải thích tại sao chúng có độ giàu helium cực kỳ cao. Tuy nhiên, nếu xem xét mô hình ngôi sao có lõi là lỗ đen, thì mọi thứ dường như trở nên hợp lý. Ngoài ra, từ dữ liệu cảm biến sóng hấp dẫn, các nhà khoa học cũng phát hiện một số sự kiện kết hợp lỗ đen có khối lượng lớn kỳ quái. Khối lượng của chúng đã vượt ra khỏi phạm vi thông thường của các lỗ đen cấp sao, và những lỗ đen trung bình hiếm hoi này có thể là kết quả của sự tiến hóa từ ngôi sao có lõi là lỗ đen, chủ yếu là những lỗ đen nguyên thủy.

Trong những năm đầu để giải quyết vấn đề thiếu hụt neutrino của Mặt Trời, đã có quan điểm rằng có một lỗ đen nhỏ tại trung tâm Mặt Trời để giải thích hiện tượng này. Tuy nhiên, sau khi phát hiện hiện tượng rung động của neutrino, ý tưởng về sự tồn tại của lỗ đen trong Mặt Trời đã bị lãng quên. Nhưng ngày nay, nhờ vào lỗ đen nguyên thủy, các nhà khoa học một lần nữa chứng minh từ góc độ lý thuyết rằng có khả năng tồn tại một ngôi sao có lõi là lỗ đen. Điều này không chỉ mở ra các mô hình mới về tiến hóa sao mà còn cung cấp những góc nhìn mới về hình thành của lỗ đen trung bình (bao gồm cả lỗ đen siêu lớn).

Chờ một chút,

Nếu lỗ đen nguyên thủy có thể đóng vai trò trong quá trình hình thành của ngôi sao, liệu chúng có thể đóng vai trò trong các quá trình hấp thụ khác không? Ví dụ, trong quá trình hình thành của các hành tinh?

Nếu một phần tối thượng của tối thượng thực sự bao gồm các lỗ đen nhỏ gần giới hạn bức xạ Hawking, thì những lỗ đen nhỏ này có thể còn đóng vai trò trong các quá trình hấp thụ khác không? Chẳng hạn, liệu có khả năng rằng giới hạn trung bình giữa chúng là khoảng 1 đơn vị thiên văn, chính là khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời. Điều này có nghĩa là, nếu tâm của Mặt Trời thực sự chứa một lỗ đen nhỏ có kích thước của Sao Thủy, thì Trái Đất có thể chứa một lỗ đen nhỏ với kích thước và khối lượng nhỏ hơn ?.