Lỗ đen là tàn dư của những ngôi sao rất lớn với lực hấp dẫn mạnh đến nỗi thậm chí ánh sáng không thể thoát ra.
Lỗ đen có thể là một trong những vật thể lạ nhất - và thường bị hiểu lầm nhất - trong vũ trụ của chúng ta. Tàn dư của những ngôi sao lớn nhất, chúng ngồi ở giới hạn hiểu biết của chúng ta về vật lý. Chúng có thể chứa nhiều lần khối lượng mặt trời của chúng ta trong một không gian không lớn hơn một thành phố. Với lực hấp dẫn mãnh liệt đến mức thậm chí ánh sáng không thể thoát khỏi bề mặt của chúng, các lỗ đen có thể dạy chúng ta về các thái cực tuyệt đối trong vũ trụ và chính cấu trúc của không gian.
Nghệ sĩ biểu diễn một lỗ đen rút khí từ một ngôi sao gần đó. Tín dụng: NASA E / PO, Đại học bang Sonoma, Aurore Simonnet
Về mặt khái niệm, lỗ đen không phải là phức tạp. Chúng không có gì khác ngoài lõi cực kỳ dày đặc của những ngôi sao khổng lồ một thời. Hầu hết các ngôi sao, như mặt trời của chúng ta, kết thúc cuộc sống của họ một cách hòa bình bằng cách nhẹ nhàng thổi lớp ngoài của chúng vào không gian. Nhưng các ngôi sao vượt quá khoảng tám lần khối lượng mặt trời đi theo một con đường khác, ấn tượng hơn.
Những ngôi sao này chết khi chúng không còn có thể hợp nhất hạt nhân nguyên tử trong lõi của chúng. Nó không phải là họ hết nhiên liệu. Thay vào đó, một khi ngôi sao có lõi sắt, hợp nhất các nguyên tử lại với nhau để tạo ra các nguyên tố mới thực sự tiêu tốn năng lượng của sao. Thiếu một nguồn năng lượng, ngôi sao có thể giữ vững bản thân để chống lại cuộc đấu tranh không ngừng nghỉ với trọng lực. Các lớp bên ngoài của ngôi sao rơi xuống.
Khi một vài triệu tấn khí đi xuống, lõi sao đã trải qua một sự thay đổi mạnh mẽ và trở nên kiên cường để tiếp tục nén. Khí độc chạm vào lõi đã cứng lại và bật lại. Quá trình nén khí nhanh chóng tạo ra một đợt hợp nhất hạt nhân không kiểm soát được. Ngôi sao, giờ mất thăng bằng, bùng nổ. Siêu tân tinh thu được có thể vượt qua cả một thiên hà và có thể nhìn thấy từ khắp vũ trụ.
Một tàn dư siêu tân tinh, N49, nằm cách xa 160.000 năm ánh sáng trong Đám mây Magellen Lớn Lớn một thiên hà vệ tinh của Dải Ngân hà. Vào khoảng 5000 năm tuổi, siêu tân tinh rất có thể đã để lại một ngôi sao neutron nhỏ gọn sau khi nó xuất hiện. Hình ảnh tổng hợp này cho thấy các tia x (tím), hồng ngoại (đỏ) và ánh sáng nhìn thấy (trắng, vàng). X-quang: NASA / CXC / Caltech / S.Kulkarni và cộng sự; Quang: NASA / STScI / UIUC / Y.H.Chu & R.Williams et al.; IR: NASA / JPL-Caltech / R.Gehrz et al.
Trong sự thức dậy của siêu tân tinh, cốt lõi vẫn còn. Súp dày đặc của các hạt hạ nguyên tử này có một vài lựa chọn tại thời điểm này. Đối với một ngôi sao có khối lượng nhỏ hơn 20 mặt trời, lõi giữ lại với nhau như một ngôi sao neutron. Nhưng đối với các đối thủ nặng ký thực sự, cốt lõi biến thành một vật thể thực sự kỳ lạ. Một lỗ đen được sinh ra.
Sao phát triển mạnh trong sự cân bằng bấp bênh. Trọng lực muốn kéo ngôi sao lại với nhau, áp lực bên trong muốn xé nó ra. Những thay đổi mạnh mẽ nhất xảy ra khi một trong những lực lượng này chiếm thế thượng phong. Trên một khối lượng cốt lõi của một vài mặt trời, không có nguồn áp lực nào có thể cân bằng trọng lực. Phần còn lại của ngôi sao sụp đổ trên chính nó.
Ép tất cả khối lượng đó thành một khối nhỏ hơn và nhỏ hơn làm cho trọng lực tại bề mặt ngôi sao chết chóc tăng vọt. Ratcheting lên trọng lực làm cho mọi thứ ngày càng khó thoát ra. Lấy trọng lực đủ cao - khoảng 30 nghìn lần những gì chúng ta cảm thấy ở đây trên Trái đất - và một số tác dụng phụ thực sự kỳ lạ xuất hiện.
Mô phỏng máy tính này cho thấy một ngôi sao đang bị xé nát bởi một lỗ đen gần đó. Những dòng khí quá nóng đánh dấu hành trình cuối cùng của ngôi sao. Khí gas chồng chất trong một đĩa xung quanh lỗ đen (phía trên bên trái). Tín dụng: NASA, S. Gezari (Đại học Johns Hopkins) và J. Guillhol (Đại học California, Santa Cruz)
Ném một quả bóng lên không trung, và cuối cùng nó dừng lại, quay lại và trở về tay bạn. Ném bóng mạnh hơn, nó bay lên cao hơn - nhưng vẫn rơi xuống. Ném bóng đủ mạnh và bóng có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất. Điểm không quay trở lại đó được gọi là tốc độ thoát hiểm của người Viking. Nó khác với mọi hành tinh, ngôi sao và sao chổi. Vận tốc thoát của Trái đất là khoảng 40.000 km / giờ. Đối với mặt trời, nó Vượt trên 2 triệu km / giờ!. Trên một tiểu hành tinh rất nhỏ, nhảy quá cao có thể vô tình đưa bạn lên quỹ đạo.
Tuy nhiên, trên một lỗ đen, tốc độ thoát lớn hơn tốc độ ánh sáng!
Vì không có gì có thể đi nhanh đến thế, nên không có gì - thậm chí không tự phát sáng - có thể tăng đủ tốc độ để thoát khỏi bề mặt lỗ đen. Không có loại bức xạ sóng radio, tia cực tím, tia hồng ngoại - có thể phát ra từ lỗ đen. Không có thông tin nào có thể rời đi. Vũ trụ đã vẽ một bức màn xung quanh bất cứ thứ gì còn lại của những người khổng lồ này và vì vậy chúng ta có thể trực tiếp nghiên cứu chúng. Tất cả những gì chúng ta có thể làm là phỏng đoán.
Bản thân lỗ đen được xác định bởi một thể tích không gian được mô tả bởi một chân trời sự kiện của thành phố. Đường chân trời sự kiện vô hình đánh dấu ra khỏi ranh giới nơi tốc độ thoát chính xác bằng tốc độ ánh sáng. Bên ngoài đường chân trời, tàu vũ trụ của bạn có ít nhất một cơ hội lý thuyết để làm cho nó về nhà. Vượt qua ranh giới đó sẽ đưa bạn vào cuộc hành trình một chiều đến bất cứ điều gì nằm bên trong.
Một cách các nhà thiên văn học xác định vị trí các lỗ đen là tìm thấy chúng trên quỹ đạo xung quanh các ngôi sao khác. Khi điều này xảy ra, khí được hút ra khỏi ngôi sao và xoắn xuống một đĩa qua chân trời sự kiện. Khí trong đĩa được làm nóng đến hàng triệu độ và phát ra tia X mạnh mẽ. Kết quả là những gì nhà thiên văn học gọi là một nhị phân X-ray, hiển thị ở đây trong phần tái hiện của nghệ sĩ này. Tín dụng: ESA, NASA và Felix Mirabel
Những gì nằm trong chân trời sự kiện là một bí ẩn hoàn toàn. Vẫn còn một vật thể ngồi ở trung tâm, một cái bóng của lõi sao rực rỡ một thời? Hay không có gì ngăn cản trọng lực nghiền nát hạt nhân đến một điểm duy nhất, thậm chí có thể làm thủng kết cấu của không-thời gian? Sự thiếu hiểu biết của chúng ta về những môi trường khắc nghiệt như vậy và bức màn vô minh che giấu những sinh vật này mang lại cho phòng trí tưởng tượng hoạt động hoang dã. Tầm nhìn của các đường hầm đến các kích thước khác, vũ trụ song song và thậm chí thời gian xa xôi đang lan tràn. Nhưng câu trả lời trung thực duy nhất cho câu hỏi về những gì nằm ngoài chân trời sự kiện? Đây là một trò chơi đơn giản mà chúng tôi không biết
Điểm mấu chốt là các hố đen là nơi chôn cất của những ngôi sao cực kỳ lớn. Sau vụ nổ siêu tân tinh, lõi lớn bị bỏ lại. Không có lực cân bằng phù hợp, trọng lực kéo lõi lại với nhau đến điểm mà tốc độ thoát vượt quá tốc độ ánh sáng. Từ thời điểm này, không có ánh sáng - và không có thông tin dưới bất kỳ hình thức nào - có thể tỏa vào không gian. Tất cả những gì còn lại là một khoảng trống màu đen hoàn hảo, nơi một khi một ngôi sao hùng mạnh đứng.