HỐ TRẮNG: LỊCH SỬ, LÝ THUYẾT VÀ CÁCH NÓ ĐƯỢC HÌNH THÀNH - VẬT LÝ - 2026

Các lỗ trắng là một điểm kỳ dị của không gian - thời gian, thuộc các giải pháp chính xác của các phương trình của thuyết tương đối rộng. Những điểm kỳ dị này có cái được gọi là chân trời sự kiện. Điều này có nghĩa là sự hiện diện của một kết giới, trong một lỗ trắng không gì có thể xuyên qua từ bên ngoài. Về mặt lý thuyết, một lỗ trắng là một điểm kỳ dị đi vào quá khứ.

Hiện tại không ai có thể quan sát được. Nhưng có thể chúng ta mang ơn sự tồn tại của chúng ta vì điều đặc biệt nhất: Vụ nổ lớn của 13,8 tỷ năm trước có thể được coi là một sự kiện gây ra bởi một lỗ trắng siêu lớn.

Một khối lượng lớn như một hành tinh có thể làm cong không-thời gian. Nguồn: Mysid

Thuyết tương đối rộng cho rằng không-thời gian có thể bị biến dạng bởi tác dụng của gia tốc hoặc bởi sự hiện diện của các vật thể khối lượng lớn. Cũng chính lý thuyết này đã tiên đoán về sự tồn tại của các lỗ đen, trong đó các lỗ trắng sẽ là đối tác của nó. Do đó, sự tồn tại của những thứ này được coi là có thể xảy ra như nhau.

Bây giờ, để hình thành điểm kỳ dị không-thời gian, cần phải có một số cơ chế vật lý. Trong trường hợp các lỗ đen, nguyên nhân được biết đến là sự sụp đổ hấp dẫn của một ngôi sao siêu lớn.

Nhưng cơ chế vật lý có thể hình thành một điểm kỳ dị giống lỗ trắng vẫn chưa được biết đến. Mặc dù các ứng viên chắc chắn đã xuất hiện để giải thích khả năng đào tạo của họ, như sẽ thấy ngay sau đây.

Sự khác biệt giữa lỗ đen và lỗ trắng

Nhiều lỗ đen đã biết là tàn tích của một ngôi sao siêu khổng lồ đã bị sụp đổ bên trong.

Khi điều đó xảy ra, lực hấp dẫn tăng lên đến mức không có gì đến gần sẽ có thể thoát khỏi ảnh hưởng của nó, thậm chí là cả ánh sáng.

Đó là lý do tại sao các lỗ đen có khả năng nuốt chửng mọi thứ rơi vào chúng. Ngược lại, không gì có thể lọt vào lỗ trắng, mọi thứ sẽ bị từ chối hoặc đẩy lùi khỏi nó.

Sự tồn tại của một vật thể như vậy có khả thi không? Rốt cuộc, lỗ đen vẫn tồn tại trong một thời gian dài như một giải pháp toán học cho các phương trình trường của Einstein, cho đến khi chúng được phát hiện nhờ các hiệu ứng hấp dẫn và bức xạ mà chúng gây ra trong môi trường xung quanh, và gần đây được chụp ảnh.

Ngược lại, các lỗ trắng vẫn bị các nhà vũ trụ học che giấu, nếu chúng thực sự tồn tại.

Lịch sử khám phá ra nó

Lý thuyết về sự tồn tại của lỗ trắng bắt đầu từ các công trình của Karl Schwarzschild (1873-1916), một nhà vật lý người Đức và là người đầu tiên tìm ra lời giải chính xác cho các phương trình trường tương đối tính của Albert Einstein.

Để làm được điều này, ông đã phát triển một mô hình có tính đối xứng cầu mà các nghiệm của nó có điểm kỳ dị, chính xác là các lỗ đen và các bản sao màu trắng của chúng.

Tác phẩm của Schwarzschild không thực sự nổi tiếng, có lẽ đã được xuất bản trong Thế chiến thứ nhất. Phải mất vài năm hai nhà vật lý mới độc lập với nhau vào những năm 1960.

Năm 1965, các nhà toán học Igor Novikov và Yuval Ne'eman đã phân tích các nghiệm Schwarzschild, nhưng sử dụng một hệ tọa độ khác.

Vào thời điểm đó, thuật ngữ lỗ trắng vẫn chưa được đặt ra. Trên thực tế, chúng được gọi là "hạt nhân tụt hậu", và được coi là không ổn định.

Tuy nhiên, là đối tác của lỗ đen, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm kiếm một vật thể vật lý có bản chất tương thích với bản chất được dự đoán cho lỗ trắng.

Chuẩn tinh và lỗ trắng

Các nhà nghiên cứu tin rằng họ tìm thấy nó trong chuẩn tinh, những vật thể sáng nhất trong Vũ trụ. Chúng phát ra một luồng bức xạ cường độ cao có thể phát hiện được bằng kính thiên văn vô tuyến, giống như một lỗ trắng.

Tuy nhiên, năng lượng của các chuẩn tinh cuối cùng đã được đưa ra một lời giải thích khả thi hơn, liên quan đến các lỗ đen ở trung tâm các thiên hà. Và vì vậy các lỗ trắng lại trở thành các thực thể toán học trừu tượng.

Vì vậy, mặc dù chúng đã được biết đến, lỗ trắng ít được chú ý hơn nhiều so với lỗ đen. Điều này không chỉ do chúng được cho là không ổn định, khiến sự tồn tại thực sự của chúng bị nghi ngờ, mà còn bởi vì không có giả thuyết hợp lý về nguồn gốc có thể có của chúng.

Ngược lại, các lỗ đen phát sinh từ sự sụp đổ hấp dẫn của các ngôi sao, một hiện tượng vật lý đã được ghi nhận đầy đủ.

Có thể phát hiện ra một lỗ trắng

Các nhà nghiên cứu tin rằng cuối cùng họ đã phát hiện ra một lỗ trắng trong một hiện tượng được gọi là GRB 060614, xảy ra vào năm 2006. Hiện tượng này được đề xuất là sự xuất hiện đầu tiên được ghi nhận của một lỗ trắng.

GRB 060614 là một vụ nổ tia gamma được phát hiện bởi Đài quan sát Swift của Neil Gehrels vào ngày 14 tháng 6 năm 2006, với các tính chất đặc biệt. Nó thách thức sự đồng thuận khoa học đã được tổ chức trước đây về nguồn gốc của các vụ nổ tia gamma và lỗ đen.

Vụ nổ Big Bang, mà một số người tin rằng là một lỗ trắng siêu lớn, đến lượt nó, có thể là kết quả của một lỗ đen siêu lớn, ở trung tâm của một thiên hà chưa biết nằm trong vũ trụ mẹ của chúng ta.

Một trong những khó khăn khi quan sát lỗ trắng là tất cả vật chất bị đẩy ra khỏi nó trong một xung duy nhất. Vì vậy, lỗ trắng thiếu tính liên tục cần thiết để quan sát, trong khi lỗ đen có đủ độ bền để được nhìn thấy.

Học thuyết

Einstein cho rằng khối lượng, thời gian và độ dài phụ thuộc chặt chẽ vào vận tốc của hệ quy chiếu mà chúng đang được đo.

Ngoài ra, thời gian được coi là một biến số nữa, có cùng mức ý nghĩa với các biến số không gian. Do đó, không-thời gian được nói đến như một thực thể trong đó bất kỳ sự kiện nào và tất cả các sự kiện diễn ra.

Vật chất tương tác với cấu trúc của không-thời gian và sửa đổi nó. Einstein mô tả điều này xảy ra như thế nào với một bộ 10 phương trình tensor, được gọi là phương trình trường.

Một số khái niệm quan trọng trong lý thuyết tương đối

Tensors là các thực thể toán học cho phép biến thời gian được coi ở cùng cấp với các biến không gian. Các vectơ nổi tiếng như lực, vận tốc và gia tốc là một phần của tập thực thể toán học mở rộng này.

Khía cạnh toán học của các phương trình của Einstein cũng liên quan đến các khái niệm như hệ mét, là khoảng cách trong cả không gian và thời gian phân tách hai sự kiện gần nhau vô cùng.

Hai điểm trong không thời gian là một phần của đường cong được gọi là đường trắc địa. Những điểm này thống nhất một khoảng cách không-thời gian. Biểu diễn thời gian không gian như vậy được quan sát trong hình sau:

Hình dạng của hình nón được xác định bởi tốc độ ánh sáng c, là một hằng số trong mọi hệ quy chiếu. Tất cả các sự kiện phải diễn ra trong hình nón. Nếu có những sự kiện bên ngoài chúng, không có cách nào biết được, bởi vì thông tin sẽ truyền đi nhanh hơn ánh sáng được nhận thức.

Phương trình trường của Einstein thừa nhận một nghiệm có hai điểm kỳ dị trong một vùng trống (nghĩa là không có khối lượng). Một trong những điểm kỳ dị đó là một lỗ đen và điểm còn lại là một lỗ trắng. Đối với cả hai, có một chân trời sự kiện, đó là một ranh giới hình cầu có bán kính hữu hạn bao quanh điểm kỳ dị.

Trong trường hợp các lỗ đen, không có gì, thậm chí không phải ánh sáng, có thể thoát ra khỏi vùng này. Và trong các lỗ trắng, chân trời sự kiện là một rào cản không gì có thể xuyên qua từ bên ngoài. Giải pháp lỗ đen trong chân không nằm trong hình nón ánh sáng của tương lai, còn giải pháp lỗ trắng nằm trong vùng quá khứ của hình nón ánh sáng.

Các nghiệm của phương trình Einstein bao gồm một lỗ đen thực sự yêu cầu sự hiện diện của vật chất, và trong trường hợp này, nghiệm chứa lỗ trắng biến mất. Do đó, người ta kết luận rằng như một giải pháp toán học, trong lý thuyết về các nghiệm đơn không có vật chất, các lỗ trắng thực sự tồn tại. Nhưng đây không phải là trường hợp vật chất được đưa vào các phương trình của Einstein.

Lỗ trắng được hình thành như thế nào?

Năm 2014, nhà vật lý lý thuyết Carlo Rovelli và nhóm của ông tại Đại học Aix-Marseille ở Pháp đề xuất rằng lỗ trắng có thể phát sinh từ cái chết của lỗ đen.

Ngay từ những năm 1970, chuyên gia hàng đầu về lỗ đen, Stephen Hawking, đã tính toán rằng một lỗ đen mất khối lượng thông qua việc phát ra bức xạ Hawking.

Các tính toán của Rovelli và nhóm của ông chỉ ra rằng sự co lại do mất bức xạ như vậy của một lỗ đen, trong giai đoạn cuối cùng của nó, có thể tạo ra một phản ứng nảy tạo ra một lỗ trắng.

Nhưng các tính toán của Rovelli cũng chỉ ra rằng trong trường hợp một lỗ đen có khối lượng bằng Mặt trời, sẽ mất khoảng một triệu lần tuổi của Vũ trụ để hình thành một lỗ trắng.

Lỗ trắng và vật chất tối

Một giây sau Vụ nổ lớn, những dao động về mật độ trong Vũ trụ đang giãn nở nhanh chóng có thể tạo ra các lỗ đen nguyên thủy (mà không cần sự sụp đổ của sao).

Những lỗ đen nguyên thủy này nhỏ hơn rất nhiều so với những lỗ có nguồn gốc sao và có thể bốc hơi cho đến khi chúng chết để nhường chỗ cho một lỗ trắng trong khoảng thời gian có trong sự sống của Vũ trụ.

Các lỗ trắng vi mô có thể rất lớn. Ví dụ, một hạt có kích thước bằng hạt bụi có thể có khối lượng lớn hơn Mặt trăng.

Nhóm của Rovelli thậm chí còn gợi ý rằng những lỗ trắng siêu nhỏ này có thể giải thích vật chất tối, một trong những bí ẩn vũ trụ quan trọng nhất.

Các lỗ trắng siêu nhỏ sẽ không phát ra bức xạ; và vì chúng nhỏ hơn một bước sóng nên chúng trở nên vô hình. Đây có thể là một lý do khác giải thích tại sao chúng vẫn chưa được phát hiện.

Người giới thiệu

1. Battersby, S. 2010. Hố đen vĩnh cửu là nơi an toàn nhất của vũ trụ. Phục hồi từ: newscientist.com.
2. Choi, C. 2018. Hố Trắng có thể là thành phần bí mật trong vật chất tối bí ẩn. Được khôi phục từ: space.com.
3. Fraser, C. 2015. Lỗ trắng là gì ?. Phục hồi từ: Phys.org.
4. Bậc thầy, Karen. 2015. Lỗ trắng là gì ?. Đã khôi phục từ tò mò.astro.cornell.edu
5. Wikiwand. Lỗ trắng. Phục hồi từ: wikiwand.com