Lỗ đen là một vật thể thiên văn có lực hấp dẫn mạnh đến mức không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát khỏi nó. Khái niệm này thách thức sự hiểu biết của chúng ta về vật lý và vũ trụ. Sự tồn tại của lỗ đen có ý nghĩa đối với sự hiểu biết của chúng ta về không gian, thời gian và số phận cuối cùng của vũ trụ. Bài học này giới thiệu với bạn về thế giới hấp dẫn của các lỗ đen, khám phá các loại, sự hình thành, tính chất và ý nghĩa của chúng trong thiên văn học.
Một lỗ đen được xác định bởi sự hiện diện của một điểm kỳ dị, một điểm trong không gian nơi mật độ vật chất đạt tới vô cực và độ cong của không-thời gian là cực độ. Điểm kỳ dị này được bao quanh bởi một ranh giới vô hình gọi là chân trời sự kiện. Một khi vật thể vượt qua chân trời sự kiện, nó không thể thoát khỏi lực hấp dẫn của lỗ đen.
Lỗ đen có thể hình thành theo nhiều cách, nhưng quá trình phổ biến nhất là sự sụp đổ của một ngôi sao lớn. Khi một ngôi sao có khối lượng lớn hơn khoảng 20 lần Mặt trời cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân, nó không còn có thể hỗ trợ trọng lượng của chính mình nữa. Lõi sụp đổ dưới lực hấp dẫn và nếu khối lượng sụp đổ đủ lớn, nó có thể tạo thành một lỗ đen.
Bất chấp bản chất bí ẩn của chúng, lỗ đen chỉ có thể được mô tả bằng ba đặc tính: khối lượng, điện tích và spin. Khối lượng của lỗ đen quyết định kích thước và cường độ lực hấp dẫn của nó. Vòng quay của lỗ đen ảnh hưởng đến không gian xung quanh nó, khiến nó bị xoáy. Điện tích, trong khi về mặt lý thuyết là có thể, được cho là trung tính ở hầu hết các lỗ đen vì chúng hút các hạt tích điện trái dấu.
Không thể quan sát trực tiếp lỗ đen vì ánh sáng không thể thoát khỏi chúng. Tuy nhiên, sự hiện diện của chúng có thể được suy ra thông qua tác động của chúng lên vật chất ở gần. Ví dụ, khi một lỗ đen hút khí từ một ngôi sao đồng hành, khí nóng lên và phát ra tia X trước khi vượt qua chân trời sự kiện. Các nhà thiên văn học sử dụng kính viễn vọng nhạy cảm với tia X để phát hiện những phát thải này. Ngoài ra, có thể quan sát được tác dụng hấp dẫn của các lỗ đen lên quỹ đạo của các ngôi sao gần đó, cung cấp thêm bằng chứng về sự tồn tại của chúng.
Lực hấp dẫn cực mạnh ở gần lỗ đen có thể gây ra những tác động mạnh mẽ. Khi một người đến gần một lỗ đen, sự giãn nở thời gian xảy ra, nghĩa là thời gian trôi qua chậm hơn so với những người quan sát ở xa, một dự đoán của Thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein. Hơn nữa, lực thủy triều gần chân trời sự kiện có thể kéo dài các vật thể thành những hình dạng dài và mỏng, một quá trình được gọi một cách kỳ lạ là "sự biến đổi của mì ống".
Lỗ đen cung cấp một phòng thí nghiệm tự nhiên để nghiên cứu hành vi của trọng lực trong những điều kiện khắc nghiệt nhất. Ở chân trời sự kiện, độ cong của không-thời gian mạnh đến mức hiểu biết thông thường về vật lý bắt đầu bị phá vỡ. Điều này làm cho lỗ đen trở nên quan trọng trong việc kiểm tra các lý thuyết về lực hấp dẫn, như Thuyết tương đối rộng, và khám phá sự thống nhất với cơ học lượng tử.
Lỗ đen đứng trước ngã tư vật lý, đặt ra những câu hỏi cơ bản về bản chất của vật chất, không gian và thời gian. Với những tiến bộ gần đây về công nghệ và quan sát, sự hiểu biết của chúng ta về lỗ đen tiếp tục phát triển, tiết lộ nhiều hơn về vũ trụ mà chúng ta đang sinh sống. Khi các nhà nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu những vật thể hấp dẫn này, chúng ta có thể mong đợi khám phá nhiều hơn nữa về những bí ẩn nằm ở trung tâm của lỗ đen.
