Nếu bạn nén một thứ gì đó đủ mạnh, nó sẽ biến thành lỗ đen. Không quan trọng đó là đá, nước, củ hành hay những chú chó nhỏ. Nếu bạn nén toàn bộ khối lượng đó vào một không gian cực kỳ nhỏ, lực hút sẽ mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra.

Nhưng “cực kỳ nhỏ” nghĩa là gì? Với mỗi khối lượng, đều có một giới hạn kích thước. Nếu bạn nén một thứ gì đó xuống dưới kích thước đó, nó sẽ không còn là một vật thể nữa mà trở thành lỗ đen. Giới hạn kích thước đó được gọi là bán kính Schwarzschild.

Khi vượt qua giới hạn này, một ranh giới vô hình xuất hiện gọi là chân trời sự kiện. Nếu ánh sáng ở bên ngoài, nó vẫn có thể thoát ra. Nếu ở bên trong, nó sẽ bị mắc kẹt mãi mãi. Điều thú vị là bán kính Schwarzschild có thể tính được cho bất kỳ thứ gì.

Ví dụ, nếu bạn muốn nén Kylian Mbappé (75 kg) cho đến khi toàn bộ khối lượng của anh ấy nằm trong bán kính đó, anh ấy sẽ trở thành lỗ đen. Trong trường hợp của anh ấy, bán kính đó khoảng 10⁻²⁵ mét.

Để bạn hình dung, một proton có kích thước khoảng 10⁻¹⁵ mét. Nghĩa là bạn phải nén một người xuống kích thước nhỏ hơn proton 10 tỷ lần. Theo vật lý mà chúng ta biết, điều đó là không thể. Nhưng về mặt toán học, phép tính là chính xác.

Bây giờ hãy thử với thứ lớn hơn, ví dụ toàn bộ Biển Địa Trung Hải. Nếu nén hết lượng nước đó xuống bán kính Schwarzschild, lỗ đen tạo thành sẽ có kích thước khoảng 6 nanomet – cỡ một phân tử protein.

Còn nếu nén cả Trái Đất thì sao? Bán kính Schwarzschild của Trái Đất khoảng 9 milimet. Toàn bộ hành tinh của chúng ta sẽ co lại bằng kích thước một viên bi. Đây là kích thước mà cuối cùng chúng ta có thể hình dung được chính xác. Tuy nhiên, các lỗ đen siêu nhỏ không tồn tại lâu. Theo thời gian, lỗ đen mất khối lượng qua quá trình gọi là bức xạ Hawking. Lỗ đen càng nhỏ thì bay hơi càng nhanh. Ví dụ:

Lỗ đen của một người chỉ tồn tại khoảng 35 phần nghìn tỷ giây.
Một xe tải 40 tấn bay hơi trong khoảng 5 mili giây.
Một chiếc Boeing 747 biến mất trong 7 giây.
Tháp Eiffel tồn tại khoảng 1 ngày.
Tàu Titanic tồn tại 140 ngày.
Một tàu sân bay lớn tồn tại khoảng 2,7 năm.

Khi chúng bay hơi hoàn toàn, toàn bộ khối lượng đó được giải phóng dưới dạng một lượng năng lượng khổng lồ.

Để so sánh:

Bom Hiroshima giải phóng khoảng 15 kiloton TNT.
Bom hạt nhân lớn nhất từng được kích nổ – Tsar Bomba – giải phóng khoảng 50 megaton.

Với quy mô đó:

Lỗ đen của Mbappé tương đương khoảng 32 quả Tsar Bomba.
Một xe tải đầy tải tương đương 17.000 quả Tsar Bomba.
Boeing 747 tương đương 190.000 quả.
Tháp Eiffel tương đương 4,3 triệu quả.
Titanic tương đương 22 triệu quả.
Tàu sân bay tương đương 43 triệu quả.

Một vụ nổ ở mức đó sẽ gây thiệt hại không thể phục hồi cho Trái Đất.

Từ lỗ đen nhỏ hơn thành phố đến quái vật 66 tỷ lần Mặt Trời

Bây giờ hãy tưởng tượng chúng ta nén cả hành tinh thành lỗ đen cỡ viên bi. Mặt Trăng sẽ ra sao? Sẽ chẳng có gì đặc biệt cả. Mặt Trăng vẫn sẽ quay quanh một cách yên bình… chỉ là giờ quay quanh lỗ đen thôi, miễn là khối lượng giữ nguyên.

Giờ hãy nén hành tinh có khối lượng lớn nhất trong Hệ Mặt Trời – Sao Mộc. Một hành tinh nặng hơn tất cả các hành tinh còn lại cộng lại. Sau khi nén, lỗ đen này chỉ có bán kính khoảng 3 mét – cỡ một chiếc xe van lớn. Cuối cùng chúng ta bắt đầu thấy được thể tích, nhưng cần thứ gì đó khổng lồ hơn. Nếu nén Mặt Trời thành lỗ đen, bán kính của nó khoảng 3 km – tương đương kích thước thành phố Barcelona. Toàn bộ khối lượng của Mặt Trời bị nén vào kích thước của một thành phố duy nhất.

Và đây là điểm thú vị: một lỗ đen không nhất thiết phải giữ nguyên kích thước mãi mãi. Sau khi hình thành, nó có thể tiếp tục lớn lên bằng cách hút vật chất xung quanh: khí, bụi, cả những đám mây. Trong một số trường hợp, nó thậm chí có thể nuốt chửng cả ngôi sao, cả hệ Mặt Trời, hoặc hợp nhất với các lỗ đen nhỏ hơn, khiến kích thước và cường độ tăng vọt. Nhưng cho đến nay chúng ta chưa phát hiện lỗ đen nhỏ như ví dụ Mặt Trời bị nén.

Vậy lỗ đen nhỏ nhất hiện nay là gì? Không có “nhà vô địch” rõ ràng, nhưng mọi chỉ dẫn đều cho thấy để hình thành lỗ đen, cần ít nhất 3 khối lượng Mặt Trời. Bán kính của nó khoảng 9 km – nằm giữa chiều cao Everest (8,8 km) và ngọn núi cao nhất Hệ Mặt Trời Olympus Mons trên Sao Hỏa (khoảng 22 km).

Đây là kích thước tối thiểu lý thuyết có thể có cho một lỗ đen – nhỏ một cách đáng ngạc nhiên so với hình ảnh “quái vật vũ trụ” mà chúng ta thường liên tưởng.

Lỗ đen gần Trái Đất nhất hiện nay là Gaia BH1, cách chúng ta 1.560 năm ánh sáng. Khối lượng khoảng 9,6 Mặt Trời, bán kính khoảng 28 km – nhỏ hơn khu vực đô thị Tokyo. Nói cách khác, lỗ đen gần nhất với chúng ta ở khoảng cách hoàn toàn không thể chạm tới và chỉ lớn bằng một thành phố lớn. Đủ với những thứ “khiêm tốn” rồi.

Cho đến giờ chúng ta nói về lỗ đen sao (stellar black holes) – hình thành khi một ngôi sao lớn chết và lõi của nó sụp đổ.

Bây giờ hãy nói đến những thứ lớn hơn. Lỗ đen khối lượng trung gian thường không hình thành từ một ngôi sao đơn lẻ mà trong các cụm sao cực kỳ dày đặc. Ở đó, các vật thể nặng nhất rơi về trung tâm và một chuỗi hợp nhất dữ dội bắt đầu.

Một ví dụ tốt là HLX-1.

Theo ước tính phổ biến nhất: khoảng 20.000 khối lượng Mặt Trời, bán kính khoảng 59.000 km – gần bằng kích thước Sao Mộc.

Một số ước tính còn cho rằng nó có thể lên tới 100.000 khối lượng Mặt Trời, lúc đó chân trời sự kiện sẽ có bán kính khoảng 300.000 km – gần bằng một nửa kích thước Mặt Trời nếu đặt cạnh nhau.

Nếu muốn bước nhảy vọt cuối cùng, hãy đến với lỗ đen siêu khối lượng – những quái vật nằm ở trung tâm các thiên hà. Ở trung tâm Ngân Hà của chúng ta là Sagittarius A*, với 4,3 triệu khối lượng Mặt Trời. Bán kính chân trời sự kiện khoảng 12,7 triệu km. Trong thiên văn học, đó không phải là quá lớn. Nếu loại bỏ Mặt Trời và đặt lỗ đen này vào trung tâm, Sao Thủy thậm chí còn không chạm tới được.

Quái vật thống trị thiên hà của chúng ta vẫn vừa vặn nằm trong quỹ đạo của hành tinh nhỏ nhất Hệ Mặt Trời. Nhưng rõ ràng lỗ đen trung tâm của chúng ta không phải lớn nhất vũ trụ.

Một ví dụ tốt hơn là M87* – đối tượng của bức ảnh lỗ đen đầu tiên trong lịch sử, trung tâm của một thiên hà khổng lồ. Khối lượng khoảng 6,5 tỷ Mặt Trời, bán kính khoảng 19 tỷ km. Nếu đặt M87* vào “láng giềng” thiên hà của chúng ta, nó sẽ nuốt chửng cả Sao Thủy, tất cả các hành tinh, thậm chí cả Sao Diêm Vương.

Quỹ đạo của Sao Diêm Vương cách khoảng 6 tỷ km, trong khi mép của M87* lên tới 19 tỷ km – gấp ba lần toàn bộ hệ hành tinh cổ điển của chúng ta. Chỉ có Voyager 1 (phóng năm 1977, hiện cách Trái Đất khoảng 25 tỷ km) là “sống sót”.

Vậy chúng ta cần thứ thực sự nuốt chửng mọi thứ – ông chủ cuối cùng. TON 618 chơi ở một giải đấu mà não bộ chúng ta hầu như không thể xử lý được. Khối lượng ước tính khoảng 66 tỷ Mặt Trời. Bạn có thể nhét M87* vào bên trong nó tới 10 lần. Bán kính khoảng 194,7 tỷ km.

Để so sánh: ánh sáng mất khoảng 11 giờ để đi hết Hệ Mặt Trời từ đầu đến cuối. Để đi hết TON 618 từ đầu đến cuối, ánh sáng phải mất hai tuần liên tục với tốc độ 300.000 km/s. Và dù vậy, TON 618 có lẽ vẫn chưa phải là lỗ đen lớn nhất trong vũ trụ – chỉ là lớn nhất mà chúng ta tìm thấy được cho đến nay.

Mỗi lần kính thiên văn được cải thiện, mỗi lần chúng ta nhìn xa hơn một chút, chúng ta lại phát hiện vũ trụ có những cách mới để khiến chúng ta kinh ngạc và nhắc nhở rằng chúng ta nhỏ bé đến mức nào. Chúng ta sống trong một vũ trụ không chỉ lớn hơn những gì chúng ta tưởng tượng, mà còn lớn hơn cả những gì chúng ta có thể tưởng tượng.

Mỹ Mỹ biên tập

#khampha#loden#vutru