Hố đen-Black hole-Don Nardo

[coimexco-cty]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Lời tác giả


Cuốn sách này được lấy từ cuốn Black Hole của tác giả Don Nardo do thành viên của PAC--Polytechnic Astronomy Club, CLB Thiên Văn Bách Khoa--dịch. Chúng tôi dịch nó không có mục đích gì hơn là phổ cập kiến thức cơ bản về thiên văn cho mọi người. Bạn đọc được toàn quyền in nội dung của nó ra với mục đích cá nhân và phi thương mại. Nếu muốn phát hành ở trang web khác bạn làm ơn ghi nguồn là PAC và http://www.thienvanbachkhoa.org.

Trong quá trình dịch, không thể tránh khỏi sai sót về lỗi chính tả, lỗi từ ngữ, hay ngữ pháp, và cũng do hạn chế về trình độ của người dịch nên nhiều đoạn không lột hết được ý nguyên gốc của tác giả, nên chúng tôi, những người dịch xin khuyến cáo những ai có khả năng về Anh ngữ thì nên đọc sách gốc. Mọi sự phản ánh về thiếu sót của ebook xin đưa về http://www.thienvanbachkhoa.org, chúng tôi xin chân thành cảm ơn.

Ở phần cuối, chúng tôi chỉ dịch phần Ghi Chú, các phần còn lại như đọc thêm, thuật ngữ, tác giả? các bạn có thể tham khảo thêm trong sách gốc.

Người dịch: © duyb7, nvl_8x.

Địa chỉ tải Ebook pdf:
http://www.mediafire.com/?hiycmyzheme

[thuan-phuong]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

lời nói đầu

?Thế giới thay đổi trong 100 năm trở lại đây nhanh hơn rất nhiều so với các thế kỷ khác trong lịch sử. Nguyên nhân không phải do chính trị hay kinh tế mà là kỹ thuật--các ngành kỹ thuật chảy trực tiếp từ sự phát triển của khoa học cơ bản.?

--Stephen Hawking, ?A Brief History
of Relativity,? báo Time, 2000

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật của thế kỷ hai mươi là thế kỷ mà nhà vật lý học người Anh Stephen Hawking mô tả trong đoạn trích trên đã biến đổi sâu sắc vẻ bên ngoài của cuộc sống con người nhanh chưa từng có. Các phát minh không thể tưởng tượng được trong một thể kỷ qua không chỉ trở nên bình thường mà còn được xem là cần thiết trong cuộc sống thường nhật. Nhà sử gia khoa học, James Burke viết, ?Chúng ta được bao quanh bởi những hệ thống và vật thể mà chúng ta dùng chúng một cách bình thường, nhưng chúng lại có ảnh hưởng sâu sắc đến hành động, suy nghĩ, công việc, giải trí của chúng ta và chúng kiểm soát cuộc sống của chúng ta.?

Ví dụ, chỉ trong một trăm năm, hệ thống giao thông thay đổi một cách đột ngột. Năm 1900, xe hơi chạy bằng dầu chỉ mới được giới thiệu, và chỉ mới có 144 dặm đường bộ của Mỹ được bê tông hóa. Xe ngựa kéo vẫn chiếm đầy đường phố và thành thị Mỹ. Máy bay vẫn đang được sáng chế. Ngày nay có tới 217 phương tiện đi lại trên 4 triệu dặm đường Mỹ. Con người đổ bộ lên Mặt Trăng và các máy bay thương mại phương tiện chở hành khách đi qua Đại Tây Dương chỉ mất dưới ba giờ.

Sự biến đổi thông tin liên lạc cũng đột ngột tương tự. Trong năm 1900 hầu hết người Mỹ sống và làm việc trên các nông trại không hề có điện hay thư tín. Chỉ có vài người đã từng nghe radio và nói trên điện thoại. Một trăm năm sau, 98 phần trăm nhà ở Mỹ có điện thoại và tivi và hơn 50 phần trăm có máy tính cá nhân. Vài gia đình thậm chí còn có hơn một cái ti vi và máy tính, và điện thoại di động giờ đã trở nên phổ biến, ngay cả đối với giới trẻ. Thông tin phát ra từ các vệ tinh liên lạc dự báo thời tiết toàn cầu và cáp quang học, email, và Internet đã nối tức thời thông tin liên lạc trên toàn cầu.


Có lẽ thước đo ấn tượng nhất về sự thay đổi khoa học và công nghệ có thể thấy trong ngành y tế và sức khỏe cộng đồng. Vào đầu thế kỷ hai mươi, độ tuổi trung bình của dân Mỹ là bôn mươi bảy. Cuối thế kỷ này độ tuổi trung bình đạt tới tám mươi, nhờ vào các tiến bộ trong y tế bao gồm sự phát triển vắc xin và thuốc kháng sinh, phát minh ra các dụng cụ chuẩn đoán hiệu quả như tia X, công nghệ chữa bệnh và chăm sóc trẻ sơ sinh, và sự phát triển trong dinh dưỡng hay kiểm soát các dịch truyền nhiễm.

Tốc độ thay đổi nhanh chóng có vẻ vẫn tiếp diễn qua thế kỷ thứ hai khi khoa học đã hé mở thêm về các quá trình vật lý và sinh học như hiện tượng nóng lên toàn cầu, sự tái tạo của virut, và độ dẫn điện, và khi con người chấp nhận kiến thức mới là yêu cầu của con người và là chính sách của nhà nước. Ví dụ, hiệp ước quốc tế đòi hỏi phải cắt giảm tức thì các khí thải công nghiệp và phương tiện giao thông để hưởng ứng nghiên cứu cho thấy khả năng nguy hiểm tăng cao đến sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu gây ra do các hoạt động của con người. Việc giữ thế chủ động trong việc quyết định con đường thay đổi tương lai phụ thuộc vào giáo dục; con người phải hiểu khả năng ứng dụng của các nghiên cứu khoa học và các tác động của công nghệ xung quanh chúng ta.

Bộ sách Lucent Library of Science and Technology mô tả sơ lược về sự đổi mới và phát minh đã thay đổi thế giới hiện đại. Mỗi quyển sách cố gắng đưa một phát minh khoa học, kỹ thuật, hay hiện tượng phức tạp trở nên dễ hiểu và thích hợp với người đọc. Vì các phát minh khoa học thường hiếm khi dể hiểu, nên mỗi quyển sẽ giải thích các ngõ cụt, các tai nạn may mắn, và phương pháp khoa học cơ bản mà các nghiên cứu của chủ đề dựa vào. Và mỗi quyển sách lại nghiên cứu ứng dụng thực tiễn của một phát minh, nhánh của khoa học, hay nguồn gốc khoa học trong công nghiệp, sức khỏe cộng đồng, và cuộc sống con người, cũng như các khả năng ứng dụng trong tương lai và tác động dựa trên các nghiên cứu hiện tại. Các trích dẫn đầu đủ từ các tài liệu, các chú giải về tiểu sử được đóng khung và các nguồn điện tử, thuật ngữ, bảng chú dẫn, và các minh họa kỹ thuật đều nằm trong phần bổ sung để hướng người đọc khám phá sâu hơn cho chủ đề.

[binhan]

Lời giới thiệu

ĐỐI MẶT VỚI BÍ ẨN TỘT CÙNG

Quan niệm về hố đen luôn đè chặt lên trí tưởng tượng của loài người. Khá nhiều các sinh vật lạ, đáng sợ, các vật thể đã được con người xây dựng lên trong các câu truyện thần thoại, các chuyện giả tưởng. Khoa học hiện đại ngày nay cũng đã tiết lộ những thứ quái lạ, đáng lo lắng không kém của thế giới tự nhiên. Nhưng dẫu sao những thứ này cũng không thể so sánh với hố đen, một vật thể có lực hấp dẫn lớn đến nỗi ánh sáng cũng không thể nào thoát ra nỗi và là nơi mà hầu như mọi định luật của tự nhiên đều bị phá vỡ. Trong những lời ghi lại của nhà vật lý Kip Thorne, một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới nghiên cứu về hố đen :

Trong tất cả những quan niệm của con người, từ những hình kì lân xa xưa của những câu truyện thần thoại cho tới những chiếc máng xả nước của ngành xây dựng hay những quả bom khinh khí, có lẽ điều kì dị nhất là hố đen: một cái hố trong khoảng không vũ trụ, với những rào cản nhất định sẽ khiến bất kì vật gì rơi và trong và không gì có thể trốn thoát, một cái hố với lực hấp dẫn mạnh tới nỗi ánh sáng cũng bị tóm gọn và giữ trong gọn kìm của nó, một cái hố có thể bẻ cong không gian và thời gian.

Đối với nhiều người, những ý nghĩ về con quái vật của vũ trụ dường như giống một cái gì đó ngoài những cuốn tiểu thuyết hay bộ phim khoa học viễn tưởng. Và theo như lời Thorne: ?các định luật thực nghiệm khá tốt của vật lý tiên đoán cương quyết rằng hố đen nhất định tồn tại, ngay trong ngân hà của chúng ta con số cũng có thể lên tới hàng triệu.?1

Con quái vật bí ẩn

Mặc dù có khả năng tồn tại một số lượng lớn hố đen đang ẩn lấp ngoài khoảng không vũ trụ, những vật thể lạ lùng này lại không dễ dàng gì để quan sát và nghiên cứu. Thorne thừa nhận rằng: ? bóng tối của chúng ẩn dấu đi sự quan sát, các nhà thiên văn sẽ gặp phải những khó khăn rất lớn trong việc tìm ra chúng.?2Chính tính lẫn tránh này truyền cho hố đen một bầu không khí bí ẩn. Và thực tế còn có một lý do nữa làm cho hố đen trở lên kì lạ với nhiều người là nó là một vật thể cực kỳ bí ẩn. Bởi ngay cả ánh sáng cũng bị bẫy vào trong chúng, ngăn cách khả năng nhìn thấy, khả năng hữu hình của những phần tử trong vũ trụ, chúng tối, tiên đoán một điềm giở và ở một góc độ nào đó chúng trở lên đáng sợ. Điều quan trọng nhất là cái gì nằm trong những hố đen này. Cho dù loài người đã cố gắng lí thuyết hóa chúng bằng mọi cách, hố đen vẫn một bí ẩn tột cùng. Theo như lời của Jhone Taylor, một học giả xuất sắc của trường Đại Học Hoàng Gia London:

Khí và mảnh vụn đá quay quanh một hố đen, tạo ra một đĩa vật chất mà rốt cuộc tất cả cũng bị hút vào trong hố

Kể từ khi con người bắt đầu suy nghĩ, chúng ta đã tôn thờ những cái mà chúng ta không thể hiểu biết. Nhiều nhiên niên kỷ đã trôi qua, hiểu biết về thế giới xung quanh chúng ta cũng đã tăng lên khá nhiều và giờ đây chúng ta đang ở trong tình trạng phải đối mặt với giới hạn của nhận thức, cái mà chẳng bao giờ có thể xuyên suốt nếu chúng ta còn dữ lại những dạng vật lý hiện tại. Giới hạn đó chính là hố đen. Mặc dù cố gắng hết sức chúng ta cũng sẽ chẳng bao giờ thoát được vật đáng sợ nơi thiên đàng này một khi đã ở trong đó. Hay chúng ta sẽ chẳng bao giờ tìm ra thứ gì bên trong nó nếu chúng ta cứ đứng ở ngoài mãi do sợ hãi trước một chuyến đi chỉ có một chiều.


Tại sao lại phải nghiên cứu hố đen ?

Nếu như hố đen thật sự bí ẩn như vậy và ở một góc độ nào đó là không thể hiểu biết được, và thật dễ dàng để những người không chuyên băn khoăn liệu chúng có đáng giá để nghiên cứu. Liệu các nhà thiên văn có nên đầu tư thời gian, năng lượng và tiền bạc để theo đuổi những nỗ thực tế hơn không? Câu trả lời dường như là không. Rất nhiều bằng chứng cho thấy hố đen có mối liên quan khá mật thiết tới nguồn gốc tiến triển của vũ trụ. Trước hết có thể nói những hố đen như vậy biểu thị lực hấp dẫn đã từng trải qua mọi thời gian. Lực hấp dẫn là lực níu kéo vũ trụ lại với nhau và các nhà khoa học càng nắm bắt được nhiều về nó họ càng giải thích được tốt hơn về nguồn gốc và cấu trúc của vũ trụ . ?Một động lực mãnh liệt cho việc tìm ra hố đen? nhà vật lý Mitchell Begelman và Martin Ress viết, ?là chúng là những vật đại diện cho những nơi mà lực hấp dẫn đã át đi tất cả các lực khác, cho phép người ta thử nghiệm lý thuyết về lực hấp dẫn dưới những điều kiện khắc nhiệt nhất.?4

Một trong số rất nhiều lí do khiến các nhà khoa học hào hứng nghiên cứu hố đen là thực tế là có rất nhiều hố đen liên quan tới nguồn gốc của các vì sao. Hiểu được hố đen hình thành từ các vì sao như thế nào chúng ta sẽ biết rất nhiều về giai đoạn tiến hóa cuối cùng của các vì tinh tú. (Thuật ngữ tinh tú đông nghĩa với sao.) Đồng thời, cũng làm tăng thêm chứng cớ cho khả năng rằng sự tiến hóa của các thiên hà--nơi một khối lượng lớn đang xoay vòng của hàng tỉ ngôi sao--có thể bị trói chặt vào các quá trình hình thành và vòng đời của các hố đen khổng lồ tại tâm của các thiên hà.

Thêm vào đó, các nhà khoa học tin rằng hố đen chứa đựng trong nó rất nhiều đầu mối quan trọng của các mối quan hệ tự nhiên của không gian và thời gian, đó là giữa thế giới 3 chiều quen thuộc và chiều thứ tư của thời gian. Các nhà khoa học thường nhắc tới không gian và thời gian bằng thuật ngữ ?không thời gian.? Ở gần hố đen, ?không thời gian biểu hiện một cách kì dị và rất ?không thuộc về trực giác?,? Belgerman chỉ ra rằng :

Ví dụ, thời gian là ?đứng yên? đối với một người quan sát đang lượn lờ quanh chân trời sự cố [bản lề của hố đen], họ có thể thấy được toàn bộ tương lai bên ngoài vũ trụ mà đối với anh ta chỉ diễn ra trong một khoảnh khắc ngắn ngủi. Những điều lạ lùng có thể xảy ra với một người nào đó liều lĩnh đi vào bên trong chân trời sự cố? Sự không chắc chắn của chúng ta về bên trong hố đen không thể giảm bớt đi sự tự tin trong những tiên đoán vật lý [những tác động lên vũ trụ xung quanh chúng]. Tương tự, có rất nhiều bí ẩn nằm sâu bên trong hạt nhân nguyên tử, nhưng điều này không thể ngăn cản các nhà vật lý tính toán ra tính chất của nguyên tử.5

Các nhà nghiên cứu đang kiểm tra lần cuối dụng cụ dò tìm tia X, loại bức xạ có thể cho thấy vị trí của hố đen

Bởi lẽ đó hố đen dường như có mối liên quan rất gần gũi tới các tính chất và quá trình nguyên sinh và các quá trình của vũ trụ. Ví dụ, các chứng cớ cho thấy lực hấp dẫn, quá trình tiến hóa của một tinh tú, sự hình thành các thiên hà và các tác động của không gian lên thời gian (và ngược lại) chỉ ra rằng tất cả đều có mối quan hệ tới con quái vật này của vũ trụ. Và việc truy tìm câu trả lời cho những bí ẩn của hố đen sẽ mở ra một chương thú vị mới cho những chiến công liên tục của khoa học.

Người dịch: nvl_8x - PAC

[ld-py]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Chương 1

Lực Hấp Dẫn và Lời Tiên Đoán Ban Đầu về
Hố Đen

Hiện nay hầu hết mọi người đều đã nghe nói đến hố đen. Nhưng rất nhiều người không không chuyên không biết những vật thể kỳ lạ này chính xác là cái gì và chúng có khả năng làm được những gì. Một phần là do cái tên của nó hơi không chính xác. Hố đen không phải đơn giản là một cái lỗ không có gì cả, hay trống rỗng, trong không gian, mà là một thực thể trong vũ trụ với khối lượng rất lớn. (Khối lượng là đơn vị đo lượng vật chất có trong một vật thể.) Một hố đen có cấu trúc lỗ hay đường hầm; nhưng không trống rỗng, nó có các tính chất vật lý, những thứ có thể đo được bằng các dụng cụ của con người.

Ví dụ, khối lượng lớn của hố đen tạo ra một trường hấp dẫn lớn mà các nhà khoa học có thể phát hiện ra. Hấp dẫn là lực của tất cả vật chất kéo các vật thể lại với nhau. Các vật thể nhỏ như các phân tử, đá cuội, con người, nhà cửa và thậm chí cả bốn, lực hấp dẫn quá nhỏ để giác quan con người nhận ra hay để các dụng cụ có thể đo đạc được; chỉ có các hành tinh hay lớn hơn, lực hấp dẫn mới rõ ràng và đo đạc được. Ví dụ, lực hấp dẫn của Trái Đất giữ Mặt Trăng quay quanh nó, và lực hấp dẫn của Mặt Trời, ngôi sao nằm tại tâm hệ mặt trời của chúng ta, giữ Trái Đất và các hành tinh khác quay quanh nó. Tương tự, hố đen tạo ra lực hấp dẫn hút mọi thứ về phía nó khi chúng đến quá gần. ?Thực tế,? nhà thiên văn học Thomas T. Arny viết,

Trường hấp dẫn tạo ra bởi một hố đen không khác các vật thể cùng khối lượng khác. Ví dụ, nếu Mặt Trời bằng một cách nào đó bất ngờ biến thành hố đen với khối lượng nó đang có [điều này không thể xảy ra], Trái Đất vẫn sẽ quay quanh nó giống như bây giờ.6


?Tạo vật của Hấp dẫn?

Hố đen không chỉ tạo ra một lực hấp dẫn cực lớn, chúng cũng đồng thời có một quá trình dùng lực hấp dẫn nén một lượng lớn vật chất vào một khoảng không gian rất nhỏ. Điều này làm cho chúng trở thành các vật thể cực nặng, hay cực đặc. Cực nặng và khối lượng lớn là các vật thể có khối lượng lớn hơn nhiều so với cách hành tinh và sao thông thường, chúng có khổi lượng nhỏ hơn. Thực tế, lực hấp dẫn của hố đen lớn đến nỗi có thể cầm tù được cả ánh sáng, vật chất có vận tốc lớn nhất trong tự nhiên. Đó là lý do vì sao hố đen lại có màu đen-không có ánh sáng thoát ra để cho mắt người hay kính viễn vọng thấy được hinh dạng nó.

Bức tranh của một thiên hà ở xa hiện rõ những đám mây khí quay tít.
Các nhà thiên văn học cho rằng đám mây khí ở giữa đang ẩn giấu một hố đen.

Dựa vào mối quan hệ giữa hố đen và lực hấp dẫn, hố đen có thể được gọi là ?tạo vật của hấp dẫn.? Vì không thể nghiên cứu hố đen nếu không biết lực hấp dẫn hoạt động như thế nào, đặc biệt là đối với trường hợp cực độ như vậy. Thực tế, phải mất nhiều năm miệt mài nghiên cứu lực hấp dẫn hoạt động như thế nào thì các nhà khoa học mới lần đầu xác định được sự tồn tại của hố đen, mặc dù tại thời điểm đó người ta không gọi nó là hố đen và cũng không có một mảnh bằng chứng nào chứng tỏ sự tồn tại của chúng.


Phát Kiến về Lực Hấp Dẫn của Vũ Trụ

Lý thuyết đầu tiên về hấp dẫn xuất hiện vào năm 1666. Trước ngày này, các nhà khoa học cho rằng lực giữ con người, nhà cửa, cây cối, và núi non nằm vững chắc trên Trái Đất và lực giữ cho Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời là các lực khác nhau riêng biệt. Sau đó một người đàn ông xuất sắc người Anh tên Issac Newton chỉ ra rằng điều đó không đúng; cùng lúc đó, ông giải thích lực hấp dẫn hoạt động như thế nào.

Theo Newton, ông có ý tưởng về lực hấp dẫn lần đầu tiên khi ông thấy một trái táo rơi từ trên cây xuống. Ông không ngạc nhiên về việc trái táo rơi xuống và chạm mặt đất, tất nhiên, bởi vì đã có kinh nghiệm từ lâu đời rằng có một năng lực bí ẩn nào đó luôn kéo mọi vật về phía tâm Trái Đất. Thứ kích thích mối quan của ông là mối quan hệ giữa khoảng cách và lực bí ẩn trên. Ông nảy ra suy nghĩ là dù có đứng trên đỉnh núi cao nhất của thế giới và ném trái táo, nó cũng sẽ chắc chắn rơi xuống như từ trên cành cây. Điều đó có nghĩa lực bí ẩn này đủ mạnh để kéo một vật ở độ cao mười ngàn foot. Có thể lực này hút được cả những vật xa hơn nữa.

Điều này dẫn Newton tới ý nghĩ về Mặt Trăng, nó cách chúng ta cả trăm ngàn dặm. Có thể, ông suy luận, một lực tương tự làm trái táo rơi đang kéo Mặt Trăng. Trong trường hợp này, Mặt Trăng đang ?rơi? vào Trái Đất và lý do duy nhất để hay thiên thể này không đụng vào nhau đó là do Mặt Trăng liên tục chuyển động ra xa, vào không trung, đã thoát khỏi, hay cân bằng, lực hút bí ẩn kia. Từ nhận thức logic (và đúng đắn) này, không phải mất công nhiều lắm khi cho rằng một lực y hệt cũng đang làm cho Trái Đất và các hành tinh khác di chuyển quanh
Mặt Trời. Newton kết luận rằng lực bí ẩn trên, ông gọi là lực hấp dẫn, tồn tại xuyên suốt vũ trụ, và thậm chí đó là vũ trụ. Để cho thích hợp, ông đã đặt tên thuyết mới của mình là định luật vạn vật hấp dẫn.

Bằng một phương trình đẹp đẽ, Newton đã biểu thị lực hấp dẫn giữa hai vật thể phụ thuộc vào hai yếu tố-- khối lượng của các vật và khoảng cách giữa chúng. Một vật nhỏ với khối lượng nhỏ, ông chỉ ra, sẽ tác động một lực hút rất bé lên vật khác; một vật rất lớn với khối lượng rất lớn, như các hành tinh, sẽ tác động một lực hấp dẫn có thể đo đạc được lên các vật khác. Cùng lúc đó, khoảng cách cũng tham gia vào. Các vật thể càng xa, Newton nói, sẽ có lực hấp dẫn nhau càng yếu. Và điều ngược lại cũng đúng, các vật thể càng gần thì hút nhau càng mạnh. Điều này giải thích vì sao Mặt Trời dễ dàng tác động lực hút của mình lên Trái Đất, vì nó nằm gần ngôi sao này, nhưng lực hấp dẫn của Mặt Trời lại không có ý nghĩa gì tới các vì sao khác, vì chúng tồn tại ở khoảng cách gấp khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời cả ngàn lần.

Nhà thiên văn học người Anh Issac Newton đã giới thiệu một phương trình toán học để tính toán lực hấp dẫn của các vật thể.

Định luật hấp dẫn của Newton làm một cuộc cách mạng cho vật lý học, đặc biệt cho các nhà nhiên cứu vật lý và thiên văn. Nhà văn khoa học John Gribbin đã viết:

Newton đã thật sự giải thích được lý do trái táo rơi và chuyển động của Mặt Trăng chỉ bằng một định luật. Bằng hành động đó, ông đã giải tỏa được bí ẩn về quy luật vận động của các thiên thể, và mở mắt cho các nhà khoa học thực tế về quy luật của các hành tinh và các ngôi sao--quy luật của cả vũ trụ-- có thể được giải thích bằng một định luật vật lý, định luật mà từ nghiên cứu tới phòng thí nghiệm được thực hiện ngay trên Trái Đất.7


Vận tốc thoát và những ngôi sao tàng hình

Một trong những vấn đề liên quan tới định luật hấp dẫn của Newton đó là nó chắc chắn dẫn đến một khái niệm cơ bản về một thứ mà ngày nay chúng ta gọi là hố đen. Khi nghiên cứu về lực hấp dẫn, một số thành công tức thì của ông chỉ về điều kiện để thoát khỏi lực hút. Phương trình của Newton chỉ ra tại sao Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời mà không bị rơi vào nó; cụ thể, là hành tinh chuyển động ra xa Mặt Trời nhưng chỉ với vận tốc đủ để cân bằng với lực hấp dẫn mạnh mẽ kia. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu Trái Đất đột ngột tăng tốc, vài nhà khoa học thắc mắc? Một cách hợp lý, nó sẽ vượt khỏi lực hấp dẫn của Mặt Trời và thoát khỏi sự ràng buộc của ngôi sao.

Vận tốc của một vật thể cần để có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của vật thể khác gọi là vận tốc thoát. Vận tốc thoát của Trái Đất, ví dụ, là khoảng bảy dặm trên giây, điều đó có nghĩa là một tên lửa hay tàu vũ trụ phải đạt được vận tốc đó mới thoát khỏi lực hút Trái Đất. Ngược lại, một tên lửa bay với vận tốc bảy dặm trên giây trên Sao Mộc sẽ không thoát khỏi hành tinh này. Nguyên nhân là vì Sao Mộc nặng hơn nhiều so với Trái Đất bởi vậy nó có lực hấp dẫn lớn hơn nhiều. ?Vận tốc thoát của các thế giới khác nhau thì khác nhau,? nhà văn khoa học nổi tiếng Issac Amov giải thích.

Một thế giới nhẹ hơn Trái Đất? có vận tốc thoát trên bề mặt thấp hơn?. Mặt khác, những thế giới nặng hơn Trái Đất sẽ có vận tốc thoát lớn hơn. Không ngạc nhiên khi trong hệ các hành tinh, Sao Mộc lại có vận tốc thoát lớn nhất?. Trên bề mặt Sao Mộc, vận tốc thoát lớn hơn 5,4 lần vận tốc thoát trên bề mặt Trái Đất.8

Trong những năm 1700, vài nhà khoa học có những suy nghĩ đáng kể về ý tưởng rằng vật thể có khối lượng càng lớn sẽ có vận tốc thoát càng lớn. Một trong những nhà nghiên cứu này là nhà thiên văn học người Anh John Michell, ông đã nghiên cứu một cách tỷ mỉ về đặc tính của những ngôi sao. Rõ ràng có nhiều ngôi sao trên trời có khối lượng lớn hơn Mặt Trời. Michell không biết liệu có giới hạn trên cho kích thước của các ngôi sao không. Nhưng ít nhất theo lý thuyết, ông đề xuất, tồn tại những ngôi sao với khối lượng kinh khủng, và như vậy, lực hấp dẫn của chúng sẽ là khổng lồ. Thêm nữa, vận tốc thoát của những ngôi sao lớn như vậy cũng vì vậy mà sẽ rất lớn.




Điều này dẫn Michell tới một suy nghĩ vận tốc thoát lớn nhất mà một ngôi sao có thể có được là bao nhiêu. Và với hệ quả của dòng suy luận logic này, ông tự hỏi không biết điều gì sẽ xảy ra nếu một ngôi sao có vận tốc thoát đạt tới vận tốc ánh sáng-- 186.000 dặm trên giây. Trong trường hợp đó, ông kết luận, ngay cả ánh sáng cũng không thoát khỏi ngôi sao này. Trong một bài báo xuất bản năm 1784, ông viết: ?nếu trong tự nhiên thật sự tồn tại các thiên thể mà? đường kính lớn hơn 500 lần Mặt Trời,? chúng sẽ có lực hấp dẫn và vận tốc thoát khổng lồ. Vì vậy, ?tất cả ánh sáng phát ra từ nó sẽ bị hút quay trở lại bằng sức mạnh khổng lồ của lực hấp dẫn của chính mình.? Và vì ánh sáng không thể thoát khỏi ngôi sao, ?chúng ta không thể có thông tin nhìn thấy được gì từ nó.?9 Nói cách khác, ngôi sao có thể tối và vì vậy tàng hình trước mắt người và kính viễn vọng. Bằng một cách thích đáng, Michell gọi chúng là ?sao tối.?

Michell không phải là nhà khoa học duy nhất ở thời điểm này bị mê hoặc bởi tác dụng của lực hấp dẫn khổng lồ. Trong năm 1975 nhà khoa học người Pháp Pierre-Simon Laplace đề cập tới tính toán tương tự một cách độc lập. Ông viết

Ở đâu đó trên bầu trời, có thể tồn tại những thiên thể không thể nhìn thấy được với số lượng lớn, và cũng có thể rất lớn, như các vì sao. Một ngôi sao tỏa sáng với mật độ [dày đặc] như Trái Đất, và có đường kính gấp hai trăm năm mươi lần Mặt Trời, vì [lực] hấp dẫn của mình, sẽ không cho các tia [sáng] của nó tới chúng ta; vì vậy có khả năng các thiên thể lớn nhất trong vũ trụ có thể, vì nguyên nhân này, mà tàng hình.10

Dựa trên những tính toán này, ông gọi những thiên thể giả thuyết này là les corps obscures, hay ?những thiên thể tàng hình.?

Người dịch: Trịnh Khắc Duy

[timber]

Có Khả Năng Tồn Tại Những Vật Thể Siêu Nặng Không?

Lý thuyết mới về không gian con tạo ra một sự khuấy động mạnh trong giới khoa học. Nhiều nhà vật lý học, thiên văn học, và các nhà khoa học khác cảm thấy ý tưởng của Einstein hoàn toàn là điều họ cần để thử nghiệm và chứng minh lý thuyết. Nếu không gian thật sự cong và các vật thể nặng tạo ra giếng hấp dẫn, họ kết luận, một cái giếng trọng lực rất sâu có thể làm cong tia sáng. Nói cách khác, dù ánh sáng có đủ nhanh để thoát ra khỏi giếng, cái giếng cũng phải bẻ cong được ánh sáng đủ nhiều để các nhà khoa học có thể tính toán được.

Tấm hình được chụp bởi kính thiên văn không gian Hubble cho thấy một hấp dẫn của một cụm thiên hà ở xa đã bóp méo và bẻ cong ánh sáng những do những thiên thể này phát ra.

Điều họ cần để kiểm tra là một vật thể rất nặng, ít nhất là theo chuẩn của con người. Và vì là vật thể lớn nhất trong Hệ Mặt Trời, Mặt Trời là sự lựa chọn hợp lý. Cuộc thí nghiệm lịch sử đã diễn ra vào 29 Tháng Năm, 1919, trong hiện tượng nhật thực xảy ra ở bờ biển phía tây Trung Phi. ?Các ngôi sao sáng hiện ra trên bầu trời ban gần Mặt Trời đang bị che khuất,? Asimov giải thích, ?và ánh sáng của chúng đang trên đường đến Trái Đất sẽ đi lướt qua Mặt Trời.?12 Sau khi tính toán dự liệu của lần nhật thực đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra ánh sáng từ các ngôi sao xa đã bị bẻ cong khi đi qua Mặt Trời. Thực tế, ánh sáng đã bị bẻ cong một lượng gần chính xác như Einstein đã tiên đoán.

Thuyết về không gian cong của Eistein đã được chứng thực. (Vài thí nghiệm khác chứng minh tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng của ông được thực hiện kể từ thời điểm này.) Thuyết tương cũng buộc các nhà khoa học thay thế câu hỏi được đặt ra từ rất lâu bởi Michell và Laplace về các vật thể có hấp dẫn cực lớn. Thí nghiệm trong lần nhật thực đó đã chứng minh lực hấp dẫn của Mặt Trời đã bẻ cong ánh sáng một lượng nhỏ. Vì vậy, các vật thể nặng hơn sẽ bẻ cong ánh sáng nhiều hơn. Và điều này dẫn đến thuyết có khả năng tồn tại những vật siêu nặng, siêu đặc. Nếu vậy, một vạt như vậy sẽ tạo ra một giếng hấp dẫn cực sâu, có thể sâu tới nỗi ánh sáng không thoát ra được. Năm 1939 nhà vật lý J. Robert Oppenheimer và sinh viên của mình George M. Volkoff công bố một bài báo tiên đoàn về sự tồn tại của những ngôi sao siêu đặc có thể có nhưng giếng hấp dẫn siêu sâu, và thậm chí không đáy.

Tuy nhiên vẫn không có bằng chứng quan sát trực tiếp nào về những thiên thể kỳ dị như vậy. Vì vậy trong nhiều năm sau đó, khái niệm về các ngôi sao tối và các tác động kỳ lạ của chúng lên không gia và ánh sáng vẫn nằm trong lĩnh vực khoa học viễn tưởng và điện ảnh. Lần cố gắng đầu tiên về ý tưởng này trên điện ảnh là một chương của sơri phim truyền hình Star Trek nguyên gốc lần đầu tiên được công chiếu Năm 1967. Thuyền trưởng Kirk của Star Trek và phi hành đoàn của mình bắt gặp một thiên thể kỳ lạ như là một ?sao tối,? đã trở thành một lời tiên đoán. Vào thời điểm đó, sự quan tâm tới những thiên thể như vậy được làm sống lại giữa một nhóm các nhà vật lý học, và chỉ vài tháng sau chương Star Trek được chiếu, nhà vật lý học trường Đại học Princeton John A. Wheerler đã đặt ra thuật ngữ ?lỗ đen.? Cái tên được mô tả một cách hoàn hảo và rất quyến rũ, và nó lập tức trở nên nổi tiếng. Sau đó, khái niệm về lỗ đen đã bắt được sự chú ý ngày càng gia tăng của giới vật lý học, thiên văn học, và các nhà khoa học khác, kể cả những người hâm mộ khoa học viễn tưởng. Như Wheerler sau đó cũng nhận xét:

Sự xuất hiện của thuật ngữ lỗ đen năm 1967 bình thường về mặt thuật ngữ nhưng lại có sức mạnh tâm lý. Sau khi cái tên được giới thiệu, càng ngày càng có nhiều nhà thiên văn học và nhà vật lý học thiên thể đánh giá lỗ đen không chỉ là điều tưởng tượng của đầu óc mà là một thiên thể thiên văn đáng giá để bỏ thời gian và tiền của để tìm kiếm nó.13

Thực tế, thời gian và tiền bạc của các nhà khoa học trở thành chìa khóa quan trọng để mở bí ẩn của lỗ đen. Lời dự báo bằng lý thuyết của các nhà khoa học trong các hội thảo trong gần hai thế kỷ chỉ mới là bước khoải đầu. Bước cần thiết kế tiếp, hay mục tiêu, là: càng có nhiều nghiên cứu nghiêm túc và tập trung về khái niệm của nó, bao gồm cả việc hiểu rõ hơn những thiên thể kỳ lạ này từ đâu ra; và một cố gắng nghiêm túc để tìm ra chúng. Từ sau những năm cuối 1960, những mục tiêu này được lấp đầy bởi một sởi các nghiên cứu và phát hiện thú vị đã tạo ra những biến đổi và cải thiện quan trọng cho hiểu biết của loài người về vũ trụ.


Hết chương 1

[thanhhai]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Chương 2

NGÔI SAO CHẾT VÀ SỰ HÌNH THÀNH HỐ ĐEN

Tiên đoán của thế kỷ hai mươi về sự tồn tại của hố đen đã nêu ra một câu hỏi là bằng cách nào một thiên thể kỳ dị như vậy được hình thành. Qua thời gian, các nhà khoa học bắt đầu nhận ra có nhiều câu trả lời cho câu hỏi này, dựa vào kích thước của hố đen. Suốt từ thời của Michell và Laplace, các nhà thiên văn học và vật lý học đã tập trung vào kích thước của thiên thể có lực hấp dẫn lớn. Vì vậy nhiệm vụ tìm hiểu một thiên thể như vậy hình thành như thế nào được tập trung vào vòng đời và các quá trình vật lý của chúng trong phạm vi các vì sao.

Tuy nhiên, phương trình toán học của thuyết tương đối rộng của Einstein lại cho phép tồn tại hố đen ở mọi kích thước, bao gồm cả những hố đen rất nhỏ. Sau khi John Wheeler đặt ra thuật ngữ hố đen năm 1967, một số các nhà khoa học bắt đầu đặt ra giả thuyết về những hố đen siêu nhỏ. Một hố đen siêu nhỏ có thể có kích thước của một nguyên tử. Nhưng vật chất của nó có thể đặc đến nỗi nó có thể nặng tới 100 nghìn tỷ tấn! Và ngay cả nhũng hố đen nhỏ hơn--bằng kích thước của hạt nhân nguyên tử--cũng có thể kéo cán cân về khoảng 1 tỷ tấn.


Hố Đen Siêu Nhỏ

Một hố đen nhỏ như vậy có thể không có liên quan gì với kích thước của các vì sao, hay hố đen của các vì sao. Vì vậy sự hình thành của phiên bàn nhỏ này cũng không thể liên quan gì tới sự sống chết của các vì sao. Vậy lực gì hay quá trình nào có thể tạo ra hố đen siêu nhro như vậy? Trong những năm đầu 1970, nhà vật lý học người Anh Stephen Hawking đã đưa ra một câu trả lời đáng tin cậy, cụ thể là những thiên thể nhỏ xíu này đến từ Big Bang--một vụ nổ khổng lồ mà lúc đó, hầu hết các nhà khoa học tin rằng, vũ trụ hiện tại của chúng ta được sinh ra. ?Với một lượng lớn vật chất đang bung ra ở khắp mọi nơi,? Isaac Asimov giải thích,

một vài bộ phận của các thứ đang giãn nở [ví dụ, vật chất] có thể va chạm với nhau. Một phần của các vật chất va chạm sau đó được ép chặt với áp suất cực lớn từ mọi hướng. Các vật chất bị ép này sau đó cỏ thể co lại thành một điểm và sự gia tăng cường độ hấp dẫn đã ép chúng co lại mãi mãi.14

Stephen Hawking cho rằng các hố đen siêu nhỏ hình thành từ vụ nổ khổng lồ hình thành nên vũ trụ.

Hawking và những người khác cho rằng có hàng ngàn hố đen siêu nhỏ như vậy tồn tại ở khắp nơi trong vũ trụ. Nếu vậy, sớm hay muộn gì một vài trong số chúng sẽ đến một tiểu hành tinh, hành tinh hay các thiên thể lớn và bị hút lại do lực hấp dẫn của chúng. Một cuộc gặp gỡ như vậy có thể vừa nguy hiểm vừa thê thảm. Theo Asmov:

Nếu một hố đen siêu nhỏ va chạm với các thiên thể lớn hơn, nó sẽ khoan xuyên qua thiên thể đó. Nó sẽ nhân chìm mảnh vật chất đầu tiên va chạm, giải phóng ra năng lượng đủ lớn để làm nóng chảy và bốc hơi phần vật chất trước mặt ngay lập tức. Sau đó nó sẽ đi qua làn hơn nóng, hấp thu nó khi di chuyển và tăng thê sức nóng, đi ra khỏi thiên thể đó và trở thành hố đen lớn hơn khi đi vào.15

Đường hầm đi qua một hành tinh do một hố đen siêu nhỏ gây ro quá nhỏ và quá hẹp đến nỗi còn khó phát hiện hơn cả một đường hầm do kiến đào trong vườn nữa. Nếu một hố đen siêu nhỏ tồn tại, thì các tác động của chúng lên các thiên thể lớn là rất nhỏ đối với con người và các thực thể sống khác trong vũ trụ.

Ngược lại, các hố đen của sao và các khối lượng lớn hơn lại có tác động lớn đối với vũ trụ và sự sống. Và đây là lý do các nhà khoa học cống hiến rất nhiều thời gian và sức lực trong những năm gần đây để tìm hiểu xem chúng hình thành như thế nào và tính chất của chúng là gì. Họ nhận ra rằng điều đó đến một quá trình mạnh khủng khiếp hoặc một sự kiện để đểu nén một lượng vật chất khổng lồ như vậy vào một không gian cực nhỏ. Thêm nữa, năng lượng giải phóng phải lớn gấp ngàn lần các hiện tượng con người cho là thảm khốc--gồm động đất, núi lửa phun và va chạm của thiên thể va chạm vào bề mặt hành tinh. Thật rõ ràng cho các nhà khoa học rằng chỉ có cái chết mạnh phi thường của một ngôi sao có thể so sánh với sự hình thành của một sao hố đen.

[hechang]

Vòng Đời của Các Vì Sao

Để hiểu biết các ngôi sao chết đi như thế nào và tạo ra các thiên thể cực đặc cần một số hiểu biết về các ngôi sao sống như thế nào. Cũng giống như con người chịu vòng đời không thể tránh khỏi, các ngôi sao sinh ra, sống cuộc sống của mình, và cuối cùng là chết đi. Nơi sản sinh ra một ngôi sao điển hình, bao gồm cả Mặt Trời, là một đám mây khí và bụi cực lớn trôi nổi trong không gian. Những đám mây như vậy bắt đầu hình thành khi “gió” được tạo ra do các ngôi sao nổ tung thổi các phân tử khí và bụi ra xung quanh; một số lại rải ra xa hơn nữa, một số khác lại tập trung lại với nhau. Khi một đám mây như vậy tập trung đủ, hấp dẫn sẽ làm chúng xích lại gần nhau hơn qua thời gian. Sự tập trung này đồng thời tạo ra sức nóng, làm cho khí và bụi càng ngày càng nóng hơn. Sau đó, tâm của đàm mây đủ nóng để nấu một miếng thịt nước; sau đó nó đạt đến nhiệt độ đủ để cung cấp cho lò luyện kim; và cuối cùng, sau vài nghìn năm, nhiệt độc của nhân đám mây trỏ nên đủ nóng để kết hợp các nguyên tử hydro và từ đó kích thích phản ứng hạt nhân xảy ra. Và ngay lập tức, nhân phát ra ánh sáng chói lòa và năng lượng khác thổi lớp mây lạnh hơn ra xa, để lại một khối cầu khổng lồ của khí nóng trắng--một ngôi sao mới ra đời.

Ngôi sao mới có đủ hydro trong nhân để duy trì phản ứng hạt nhân trong vài tỷ năm. Và trong phần đời dài nhất của mình, nó liên tục phát ra ánh sáng và nhiệt. Nếu các nhân tố khác trong hệ mặt trời của ngôi sao đó thuận lợi -- như sự hình thành của một hành tinh ở khoảng cách chính xác với ngôi sao đó để nước tồn tại ở thể lỏng -- thì lượng ánh sáng và nhiệt vừa đủ sẽ tạo điều kiện cho sự sống tồn tại ở hệ mặt trời đó. Nếu không có nguy hiểm đáng kể cho sự sống như vậy một khi ngôi sao đó còn ở trạng thái ổn định.

Lý do để một ngôi ngôi sao ở trạng thái ổn định khá lâu là có hai lực lớn tồn tại trong thiên thể đó và ngược chiều nhau, tạo ra cân bằng. Một trong hai lực là lực hấp dẫn, làm cho vật chất khối lượng lớn ở lớp ngoài ngôi sao rơi vào trong, tạo ra một áp suất lớn. Mặt Trời “có khối lượng lớn gấp hàng ngàn lần Sao Mộc,” Begelman và Rees nói. Nếu Mặt Trời là một thiên thể lạnh, “hấp dẫn sẽ nén nó lại với mật độ đặc gấp triệu lần một vật rắn bình thường. Nó có thể … có kích thước cỡ như Trái Đất, nhưng có khối lượng lớn hơn 330.000 lần.”16

Nhưng như mọi người cũng dễ dàng nhận ra, Mặt Trời không phải là một thiên thể lạnh. Các ngôi sao như Mặt Trời tạo ra một lượng năng lượng rất lớn, tạo ra một lực chính thứ hai tồn tại trong chúng. Phản ứng hạt nhân trong nhân các ngôi sao tạo ra một lượng nhiệt, ánh sáng cực lớn và rất nhiều các phần tử nhỏ thoát ra bề mặt. Ví dụ, trong Mặt Trời, môi giâu nhân sản xuất ra năng lượng bằng 100 triệu trái bom hạt nhân nổ cùng lúc. Khi dòng năgn lượng cực lớn này di chuyển ra khỏi nhân, nó tạo ra một áp suất hướng ra ngoài rất lớn. Và áp suất này cân bằng với lực hấp dẫn hút vào. Nhân của Mặt Trời, Begelman và Rees tổng kết,

Có nhiệt độ vào khoảng 15 triệu độ… nóng hơn hàng ngàn lần bề mặt nóng rực của nó. Tại nhiệt độ cao như vậy, hạt nhân nguyên tử trong Mặt Trời di chuyển với vận tốc hàng trăm kilomet trên giây. Áp suất của nhân nóng này… chống lại tác động [hút vào] của hấp dẫn trong các ngôi sao như Mặt Trời.17

Nhờ vào cân bằng giữa áp suất đẩy ra và hút vào này, các ngôi sao như Mặt Trời duy trì được trạng thái của mình trong một khoảng thời gian dài. Các nhà thiên văn học ước đoán rằng Mặt Trời, đã tồn tại ở trạng thái ổn định vài tỷ năm, sẽ giữ nguyên trạng thái này trong vài tỷ năm nữa. Tuy nhiên, cũng như động vật hay con người, trái bóng nóng bỏng này không tồn tại mãi. Cuối cùng, một ngôi sao cũng phải sử dụng hết nhiên liệu của mình và tiến tới cái chết, tạo ra một biến cố mà khi đó hầu hết vật chất của nó bị nén lại một trạng thái cực đặc. Trạng thái này có thể ở ba dạng khác nhau, phụ thuộc vào khối lượng ban đầu của ngôi sao; các trường hợp đều tạo ra một thiên thể siêu đặc. Hai trong số những thiên thể này -- sao lùn trắng và sao notron -- là những bước đầu trên con đường tiến tới hố đen. Thiên thể thứ ba chính là hố đen.

[hieuducco]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Bước Một: Sao Lùn Trắng

Định mệnh của Mặt Trời là chuyển hóa thành dạng thiên thể thứ nhất trong ba thiên thể siêu đặc do các vì sao chết tạo ra, một sao lùn trắng. Vài tỷ năm nữa, ngôi sao của chúng ta sẽ bắt đầu cạn kiệt hydro để làm nhiên liệu cho phản ứng hạt nhân trong nhân của nó. Khi hầu hết hydro hết đi, nhân của nó sẽ đặc hơn và nóng hơn. Lượng nhiệt thêm này sẽ làm cho lớp ngoài của Mặt Trời bị bắn ra ngoài, biến thành một ngôi sao khổng lồ lớn hơn hiện tại hàng trăm lần; thực tế, bề mặt của nó sẽ nhận chìm quỹ đạo của Sao Thủy và Sao Kim, phá hủy các hành tinh này, và bề mặt của Trái Đất (lúc này sẽ là hành tinh trong cùng của hệ mặt trời) sẽ bị cháy như ở trong lò luyện kim. Tuy nhiên, do bề mặt mới của Mặt Trời sẽ bị kéo căng và rộng hơn trước, nên các phần của nó sẽ lạnh hơn trước một ít. Vì vậy màu của ngôi sao sẽ chuyển từ màu vàng nóng sang màu đỏ lạnh hơn. Vì các ngôi sao như vậy nở to và nguội đi nên chúng được gọi là sao khổng lồ đỏ.

Cuối cùng, nhân của ngôi sao Mặt Trời khổng lồ đỏ sẽ hoàn toàn hết hydro, và tại điểm này nó sẽ bắt đầu đốt nguyên tố nặng nhất tiếp theo của nó, heli. Tất nhiên, heli cũng sẽ hết, và lúc đó ngôi sao sẽ không còn đốt nhiên liệu để tạo ra phản ứng hạt nhân nữa. Khi đó, sự cân bằng mỏng manh giữ trạng thái của ngôi sao sẽ suy yếu. Áp suất hướng ra của năng lượng phát ra suy giảm, làm áp suất hướng vào của hấp dẫn chiến thắng. ?Lực hấp dẫn đã chờ đợi,? Asimov viết, ?kéo vào nhẫn nại và không mệt mỏi trong hàng tỷ năm, và cuối cùng sự kháng cự lực kéo đó đã sụp đổ.?18

1.Lực hấp dẫn mạnh của sao lùn trắng kéo khí và vật chất khác của sao gần đó.
2.Khí và vật chất tích lũy lại và bị hâm nóng trên bề mặt của sao lùn trắng.
3.Vật chất bị hâm nóng cháy và nổ, tạo ra một lớp vỏ sáng gọi là sao mới.

Khi hấp dẫn chiến thắng, sao Mặt Trời khổng lồ đỏ bắt đầu sụp đỏ. Một ít nguyên liệu bên ngoài của nó sẽ thoát ra không gian. Nhưng hầu hết bị giữ lại trong ngôi sao đang suy sụp, chúng hoàn toàn nằm trong tay của hấp dẫn, cuối cùng sẽ nén những vật chất này thành một sao lùn trắng -- một ngôi sao nhỏ, nóng, nhưng chỉ là một quả bóng sáng mờ có kích thước cỡ vào Trái Đất. Một ngôi sao lùn trắng đặc tới nỗi một thìa vật chất của nó cũng nặng đến một tấn. Không đáng ngạc nhiên khi một thiên thể như vậy tạo ra một giếng hấp dẫn rất sâu và một lực hấp dẫn rất mạnh. Để thoát khỏi một sao lùn trắng, một con tàu vũ trụ phải đạt tới vận tốc khoảng ba trăm ngàn dặm một giây! (Tất nhiên, thật là điên rồ khi muốn đậu trên một sao lùn trắng, vì lực hấp dẫn của nó sẽ nhanh chóng ép con tàu và phi hành đoàn bẹp dí.)

[camphat]

Bước Hai: Sao Notron

Các nhà thiên văn học đã tính được số phận cuối cùng của một ngôi sao trung bình -- có khối lượng nhỏ hơn 1.4 lần Mặt Trời -- sẽ trở thành một ngôi sao lùn trắng. Nhưng những ngôi sao lớn hơn 1.4 lần Mặt Trời thì sao? Chúng chắc chắn sẽ có hấp dẫn lớn hơn. Vì vậy chỉ hợp lý khi kết cục của chúng sẽ dữ dội hơn và tạo ra một thiên thể đặc hơn cả sao lùn trắng.

Thực tế, một ngôi sao có khối lượng từ 1.4 tới 8 lần Mặt Trời vòng qua giai đoạn sao lùn trắng để đến với điểm dừng tiếp theo trên còn đường tới hố đen. (Các nhà khoa học vẫn còn bất đồng với nhau về khối lượng để một ngôi sao trở thành sao lùn trắng. Các ước đoán khác là 1.4 đến 3.2 và 1.4 đến 5 lần khối lượng mặt trời.) Ngôi sao nặng hơn này cũng có những bước đầu giống một ngôi sao cỡ Mặt Trời -- cạn kiệt hidro, nở rộng thành một ngôi sao lùn đỏ, và đốt heli. Nhưng sau đó, mọi việc lại xảy ra khác hẳn, như Begelman và Rees giải thích:

Các ngôi sao nặng được tăng sức mạnh ở giai đoạn sống tiếp theo bằng một chuỗi phản ứng hạt nhân của các nguyên tố càng ngày càng nặng hơn. Khi mỗi nhiên liệu hạt nhân bị cạn kiệt -- hydro kết hợp thành heli, sau đó heli lại thành cacbon và oxy, vv? -- thì phần bên trong ngôi sao lại càng ngày càng nóng?. Quá trình này có thể tạo ra tới sắt. Ở giai đoạn này, năng lượng giải phóng ra từ việc tạo ra nguyên tử hạt nhân nặng hơn chốn lại sự suy sập của hấp dẫn. Nhưng không có phản ứng hạt nhân nào có thể tạo ra năng lượng từ sát; sát là điểm cuối của con đường hạt nhân của một ngôi sao. Sự việc xảy ra tiếp theo hiện tượng ngoạn mục nhất từng được biết tới trong thiên văn học?. Khi không còn phản ứng hạt nhân nào có thể tạo ra năng lượng từ sắt, nhiên liệu cạn kiệt và nhân thình lình co lại khủng khiếp? trong một phần nhỏ của giây?. Mật độ dày đặc của nhân sụp đổ này lớn đên nỗi proton và electron [hai phần tử mang điện của nguyên tử] kết hợp với nhau tạo ra notron, phần tử không mang điện.19

Thiên thể sáng tại tâm Tinh Vân Con Cua là một pulsar được phát hiện vào năm 1968. Những thiên thể như vậy được gọi là sao notron.

Vì một thiên thể như vậy có cấu tạo hầu như hoàn toàn là notron (tạo ra một vật mà nhiều nhà khoa học gọi là neutronium,) nên nó được gọi là sao notron.

Sự suy sập tạo ra một ngôi sao notron mạnh mẽ tới nỗi nó nổ ra một biến cố thứ hai -- một vụ nổ khủng khiếp. Trong vụ bùng nổ này, gọi là siêu sao mới, một lượng lớn các phần tử ở lớp ngoài của ngôi sao bị bắn ra không trung. Các phần tử này hình thành một lớp vỏ khí, thường được gọi là tàn dư siêu sao mới, nó nở rộng ra ngoài trong hàng ngàn thậm chí hàng triệu năm, và càng ngày càng mỏng đi. (Nó cũng mờ đi, chỉ trừ khi được thắp sáng bởi các ngôi sao mà nó đi qua.)

Phần khối lượng còn lại của ngôi sao ban đầu giờ đã bị nén lại trong một trái banh neutronium có đường kính khoảng hai mươi dặm, bằng cỡ của một thành phố lớn. Vật chất quá đặc đến nỗi một muỗng vật chất trên đó nặng ít nhất vài nghìn tỷ tấn. Hơn nữa, vận tốc thoát của một ngôi sao như vậy vào khoảng 125.000 dặm trên giây, khoảng hai phần ba vận tốc ánh sáng.

Tất cả điều này đều khá thuyết phục trên lý thuyết. Nhưng các nhà thiên văn học không có một bằng chứng thực tế nào về sự tồn tại của một ngôi sao notron cho tới những năm cuối 1960, khi những thiên thể gọi là pulsar bắt đầu được phát hiện. Ví dụ, năm 1968, các nhà khoa học phát hiện ra một thiên thể kỳ lạ trong Tinh Vân Con Cua. Nằm ở chòm sao Taurus, con bò, đám mây sáng, đang nở rộng này là tàn dư của siêu sao mới xuất hiện năm 1054 và được ghi chép lại bới các nhà quan sát Trung Quốc và Nhật Bản. Các nhà thiên văn học hiện đại lưu ý rằng thiên thể tại tâm của tinh vân đầu đặn phát ra một lượng lớn, hay nhịp đập, bức xạ điện từ khoảng ba mươi lần trên giây. Để cho phù hợp, họ đặt tên cho những thiên thể tương tự như vậy là pulsar. (Từ pulses là nhịp đập.)

Thật rõ ràng là các pulsar là sao notron, chúng tự quay với vận tốc đáng kinh ngạc. Sự tự quay liên tục này tạo ra do năng lượng cuốn vào liên tục được tạo ra trong lúc ngôi sao suy sập thành một trái banh cực đặc. Giải thích lý do một sao notron lại phát ra năng lượng nhịp nhàng, nhà thiên văn học nổi tiếng Herbert Friedman viết:

Khi một sao notron suy sập, nó đồng thời cũng kéo từ trường của ngôi sao ban đầu theo nó cho tới khi tập trung được một tỷ lần tại bề mặt của sao notron. Trong tình trạng từ trường cực mạnh bị nén chặt như vậy, plasma [khí nóng] tại hai cực từ sẽ bị bắn ra xung quanh theo ngôi sao quay tròn. Lượng plasma cuộn tròn này có thể tạo ra [một] sóng radio có định hướng cao [ví dụ, bức xạ điện từ phát ra từ một vị trí xác định trên ngôi sao] và sóng này sẽ xoay tròn và bắn vào không gian đèn pha trên nóc của một ngọn hải đăng. Khi sóng radio quét qua Trái Đất, các kính viễn vọng vô tuyến của chúng ta sẽ ghi nhận được ánh sáng lặp đi lặp lại này.20