Vào cuối năm 1915, vài tuần sau khi công bố các phương trình Thuyết Tương đối rộng, Albert Einstein nhận được thư từ Karl Schwarzschild – nhà thiên văn học người Đức, lúc bấy giờ tham gia quân đội trong Thế chiến I.
Trong bức thư, Schwarzschild giới thiệu cách giải các phương trình của Einstein, thông qua mô tả hình ảnh không - thời gian xung quanh vật thể hình cầu nặng, chẳng hạn như ngôi sao hay hành tinh.
Lời giải đó cho thấy, khi một vật thể đủ nhỏ và đủ nặng, thì nó làm biến dạng không - thời gian đến mức ánh sáng cũng không thể thoát ra được.
“Đồ tạo tác toán học”
Einstein bác bỏ kịch bản này vì cho rằng nó phi vật lý. Kịch bản đòi hỏi phải nén được một lượng vật chất lớn vào trong một khu vực không gian chật hẹp.
Đây không phải là lần đầu tiên người sáng tạo Thuyết Tương đối không tin vào những phương trình của mình: Vào năm 1916, khi các phương trình đã dẫn dắt Einstein truy tìm sự tồn tại của sóng hấp dẫn – tức là các “nếp nhăn không - thời gian” lan truyền với vận tốc ánh sáng, ông cũng xem chúng là “đồ tạo tác toán học”, không mô tả được các hiện tượng vật lý thực tế.
Cùng với thời gian, mọi việc càng trở nên kỳ lạ hơn. Vào cuối những năm 30 thế kỷ trước, khi người ta đã ít nhiều hiểu được các ngôi sao là gì và vì sao chúng chiếu sáng, thì hai nhà bác học Robert Oppenheimer (Mỹ) và George Volkoff (Canada) đã chứng minh được rằng một ngôi sao khá lớn, sau khi “đốt cháy hết nhiên liệu”, sẽ phải sụp đổ dưới sức nặng của chính nó và kết thúc theo kịch bản của Schwarzschild.
Tuy nhiên mô hình của Robert Oppenheimer và George Volkoff còn quá đơn giản. Chẳng hạn, họ đặt giả thiết là ngôi sao không quay quanh trục của nó. Vì vậy, vẫn có thể tranh luận là những ngôi sao thật sự, tự xoay xung quanh trục, bằng một cách nào đó, có thể không suy sụp hoàn toàn dưới sức nặng của chúng; hoặc không – thời gian xung quanh các ngôi sao này không trở nên “quá kỳ dị”.
Hiện tượng phổ biến
Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế LIGO.
Tất cả thay đổi vào những năm 60 thế kỷ trước, khi mà trong cách hiểu của chúng ta về vũ trụ xuất hiện nhiều đột phá, và giai đoạn này được gọi là “kỷ nguyên vàng” của thuyết tương đối.
Vào năm 1963, nhà vật lý Roy Kerr (người New Zealand) đã tìm ra những phương trình Einstein mới, tổng quát hóa kết quả của Schwarzschild cho trường hợp các thiên thể tự quay tròn. Hóa ra, chuyển động quay hoàn toàn không “sửa chữa” được không - thời gian biến dạng.
Phương trình của Kerr cũng chứa cái gọi là chân trời sự kiện mà vượt qua nó thì không thể quay trở lại. Vài năm sau, hai nhà bác học Roger Penrose và Stephen Hawking sử dụng các công cụ toán học đã chứng minh được rằng việc tạo ra các lỗ đen không đòi hỏi nhiều giả thiết mạnh như trong mô hình của Oppenheimer và Volkoff.
Theo định lý Penrose –Hawking, sự hình thành lỗ đen từ các ngôi sao nặng bị suy sụp là hiện tượng phổ biến. Điều cần làm bây giờ là quan sát các lỗ đen. Tuy nhiên, làm thế nào để quan sát được một thứ không phát sáng và được cấu thành chỉ từ trọng trường thuần túy?
Các nếp nhăn không – thời gian
Một trong những khả năng đó là quan sát hành vi các thiên thể ở gần lỗ đen. Vào những năm 90 thế kỷ trước, người ta đã khẳng định, chẳng hạn, hiện tượng những ngôi sao tại trung tâm thiên hà của chúng ta chuyển động theo các quỹ đạo chật hẹp, là do một đối tượng thiên văn vô hình, có khối lượng bằng khoảng 4 triệu khối lượng Mặt trời, gây ra.
Tuy nhiên, vào năm 2015, lần đầu tiên, các máy dò sóng hấp dẫn đã cung cấp chứng cớ trực tiếp về sự tồn tại của các lỗ đen. Khi đó, Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế LIGO của Mỹ đã ghi nhận được những tín hiệu tương ứng với “các nếp nhăn không – thời gian” do hai lỗ đen va chạm vào nhau gây ra.
Phát hiện ngoạn mục này cũng gây bất ngờ - tín hiệu đến chỗ các máy dò chỉ vài phút sau khi chúng được khởi động. Tín hiệu rõ nét đến mức các nhà khoa học nghi ngờ rằng đó là tín hiệu nhân tạo. Chỉ vài giờ sau, mọi việc mới trở nên sáng tỏ và các nhà khoa học khẳng định sự tồn tại của sóng hấp dẫn cũng như các lỗ đen – đúng như dự đoán từ các phương trình của Einstein.
Hình ảnh bóng của lỗ đen do Kính viễn vọng Chân trời sự kiện (hệ thống 8 kính viễn vọng điện từ) thực hiện, cũng gây ngạc nhiên lớn trong giới khoa học. Đó là ảnh một vành đai màu da cam, ở trung tâm thiên hà M87 thuộc chòm sao Xử Nữ, cách Trái đất khoảng 52 triệu năm ánh sáng.
Tất cả các chi tiết của bức ảnh này, chẳng hạn như nửa dưới vành đai sáng hơn nửa trên, đều phù hợp với mô hình lỗ đen của Kerr với khối lượng bằng 6 - 7 tỷ lần khối lượng Mặt trời. Lỗ đen Kerr được bao quanh bởi vành đai khí nóng.
Những phát hiện mới liên quan đến lỗ đen chắc chắn sẽ được thực hiện trong tương lai gần. Không phải hai, mà là bốn máy dò sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế (ngoài hai máy dò LIGO của Mỹ còn có máy dò Virgo của châu Âu và KAGRA của Nhật Bản) sẽ tiếp tục “săn lùng” lỗ đen. Ngoài ra, 3 kính viễn vọng điện từ mới sẽ tham gia vào hệ thống của Kính viễn vọng Chân trời sự kiện.