Thiên văn học: Lỗ đen

Chào mừng thầy và các bạn đến với buổi thuyết trình ngày hôm nay
Lương Sơn Đỉnh
Hoàng Phước Muội
Võ Xuân Đào
Võ Đức Bổng
Hà Trung Đức
Nguyễn Lâm Thùy Linh
Trường đại học sư phạm
TP. Hồ Chí Minh
Khoa vật lý

Nhóm VI
Lỗ Đen
Đề tài:
GVHD: Cao Anh Tuấn
Lịch sử nghiên cứu
Lỗ đen là gì?
Cấu tạo của lỗ đen
Quá trình hình thành
Quan sát lỗ đen
Mô tả toán học
Các khám phá mới






Lỗ đen
Lịch sử nghiên cứu
Năm 1783, nhà khoa học người Anh John Michel đã đưa ra khái niệm một vật thể nặng đến độ ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi vật đó.
Năm 1796, nhà toán học người Pháp Piere-Simon Laplace cũng đưa ra ý tưởng tương tự.
Năm 1915, Einstein đưa ra một lý thuyết hấp dẫn gọi là lý thuyết tương đối rộng.
Dựa vào lý thuyết trên, Karl Schwarzschild đã đưa ra nghiệm cho trường hấp dẫn của một khối lượng điểm và tiên đoán về lý thuyết sự tồn tại của một vật thể mà ngày nay được gọi là lỗ đen.
Những năm 1920, Subrahmanyan Chandrasekhar đã đưa ra tính toán cho thấy rằng một vật thể không quay có khối lượng lớn hơn một giá trị nhất định mà ngày nay được biết là giới hạn Chandrasekhar. => Sự suy sập dưới lực hấp dẫn của chính nó và không có gì có thể cản trở quá trình đó diễn ra.
Năm 1939, Robert Oppenheimer và H. Snyder tiên đoán rằng các ngôi sao khối lượng lớn sẽ phải chịu quá trình suy sập do hấp dẫn.
Những năm sau đó, Stephen Hawking và Roger Penrose đã chứng minh rằng các lỗ đen là các nghiệm tổng quát của lý thuyết hấp dẫn của Einstein, và sự suy sập để tạo nên lỗ đen, trong một số trường hợp, là không thể tránh được.
Ngay sau đó, nhà vật lý John Wheeler đã sử dụng từ "lỗ đen" để chỉ các vật thể sau khi bị suy sập đến mật độ vô hạn.
Tên gọi lỗ đen này được ghi nhận đầu tiên năm 1964 trong ghi chép của Anne Ewing gửi Hiệp hội Tiến bộ Khoa học Hoa Kỳ.
Lỗ đen (black holes) hay hố đen là một vùng trong không gian có trường hấp dẫn lớn đến mức lực hấp dẫn của nó không để cho bất cứ một dạng vật chất nào, kể cả ánh sáng thoát ra khỏi mặt biên (chân trời sự kiện) của nó, trừ khả năng thất thoát vật chất khỏi lỗ đen nhờ hiệu ứng đường hầm lượng tử.
Lỗ đen là gì?
Vật chất muốn thoát khỏi lỗ đen phải có vận tốc thoát lớn hơn vận tốc ánh sáng trong chân không.
Cấu tạo của
lỗ đen
Chân trời
sự kiện
Điểm
kỳ dị
Chân trời sự kiện
Sự giãn nỡ thời gian diễn ra rất nhanh
Hình dạng (bốn chiều) là hình cầu
Vận tốc thoát bằng vận tốc ánh sáng
Là một bề mặt ảo xung quanh lỗ đen
Điểm kỳ dị
Là điểm nằm tại tâm, bên trong chân trời sự kiên.
Độ cong của không thời gian và lực hấp dẫn mạnh vô hạn
Ở khoảng cách đủ xa, các hạt có thể di chuyển tự do theo mọi hướng.
Đi vào lỗ đen
Gần giới hạn chân trời sự kiện, không-thời gian bị uốn cong, các hạt có xu hướng chuyển động về phía lỗ đen.
Phía trong chân trời sự kiện, các hạt đều chuyển động vào tâm lỗ đen, không thể thoát được.
Lỗ đen quay
Vùng không gian xung quanh chân trời sự kiện được gọi là hình cầu sản công (Ergosphere) và có dạng một hình e-líp.
Các vật thể trượt trên hình cầu sản công vài lần có thể bị văng ra ngoài với vận tốc rất lớn và giải thoát năng lượng (và mô men góc) khỏi lỗ đen.
Entropy và bức xạ Hawking
Năm 1971, Stephen Hawking chứng minh rằng diện tích của chân trời sự kiện của bất kỳ lỗ đen cổ điển đều không bao giờ giảm.
Vai trò của diện tích của chân trời sự kiện tương ứng với entropy.
Người ta thấy rằng entropy của lỗ đen bằng một phần tư diện tích của chân trời sự kiện.
1974, Hawking áp dụng lý thuyết trường lượng tử cho không-thời gian cong xung quanh chân trời sự kiện của lỗ đen và phát hiện ra rằng các lỗ đen có thể phát xạ nhiệt - bức xạ mà hố đen phát ra được gọi là bức xạ Hawking.
Bức xạ Hawking xuất phát từ ngay bên ngoài chân trời sự kiện, và cho tới nay người ta vẫn hiểu là nó không mang thông tin từ bên trong lỗ đen vì đó là bức xạ nhiệt.
Theo lý thuyết tương đối rộng, sự hình thành lỗ đen trải qua quá trình suy sụp hấp dẫn.
Người ta tiên đoán khi thỏa:
Msao  3M
=> Có khả năng lỗ đen được hình thành.
Msao  8M
=> lỗ đen chắc chắn sẽ được hình thành
Sự hình thành lỗ đen trong vũ trụ
Quan sát lỗ đen
Chúng ta không thể quan sát lỗ đen trực tiếp bằng ánh sáng phát xạ và phản xạ vật chất.
Có thể quan sát lỗ đen gián tiếp thông qua:
Thấu kính hấp dẫn.
Các ngôi sao chuyển động xung quanh.
Ngày nay, có khá nhiều những bằng chứng thiên văn gián tiếp về hai loại hố đen:
Các lỗ đen khối lượng ngôi sao có khối lượng cỡ bằng các ngôi sao bình thường (4 - 15 lần khối lượng Mặt Trời).
Các lỗ đen siêu khối lượng có khối lượng bằng một thiên hà.
Từ các quan sát vào những năm 1980 về chuyển động của các ngôi sao xung quanh tâm của thiên hà, người ta tin rằng có những lỗ đen siêu khối lượng có mặt ở tâm của phần lớn các thiên hà, ngay cả Ngân Hà của chúng ta. Tinh vân Sagittarius A được coi là bằng chứng quan tin cậy nhất về sự tồn tại của một lỗ đen siêu khối lượng tại tâm của dải Ngân Hà.
Bức tranh hiện nay là tất cả các thiên hà đều có thể có một lỗ đen siêu khối lượng ở tại tâm, và lỗ đen này nuốt khí và bụi ở vùng giữa thiên hà tạo nên lượng bức xạ khổng lồ. Điều thú vị là không có bằng chứng nào về sự có mặt của các lỗ đen khối lượng lớn ở tâm các đám sao hình cầu
Chúng ta đã tìm thấy lỗ đen chưa?
Mô tả toán học
Trong đó:
là góc khối chuẩn.
Karl Schwarzschild đã tìm ra nghiệm từ các phương trình của Albert Einstein. Vào năm 1915. Nghiệm này miêu tả độ cong của không-thời gian trong vùng lân cận một vật thể đối xứng hình cầu trong không gian, nghiệm này là :
Bán kính Schwarzschild được xác định bởi:
Trong đó:
G: là hằng số hấp dẫn
m: là khối lượng của vật thể
c: là vận tốc ánh sáng
Đối với một vật thể có khối lượng bằng Trái Đất, bán kính Schwarzschild của nó bằng 9 mm.
Mật độ trung bình bên trong bán kính Schwarzschild giảm khi khối lượng của lỗ đen tăng, do đó, nếu lỗ đen có khối lượng Trái Đất có mật độ là 2 × 1030 kg/m3, mật độ của một lỗ đen siêu lớn có khối lượng bằng 109 khối lượng Mặt Trời có mật độ khoảng 20 kg/m3, nhẹ hơn nước! Mật độ trung bình cho bởi:
Khám phá mới về lỗ đen
Năm 2004, người ta phát hiện ra được một đám các lỗ đen, mở rộng tầm hiểu biết của chúng ta về phân bố các lỗ đen trong vũ trụ.
Tháng 7 năm 2004, các nhà thiên văn tìm thấy một lỗ đen khổng lồ Q0906+6930, tại tâm của một thiên hà xa xôi trong chòm sao Đại Hùng
Tháng 11 năm 2004, một nhóm các nhà thiên văn công bố khám phá đầu tiên về lỗ đen khối lượng trung bình trong thiên hà của chúng ta, quay xung quanh Sagittarius A ở khoảng cách 3 năm ánh sáng.
Hố đen trung bình này có khối lượng 1.300 lần khối lượng Mặt Trời nằm trong một đám gồm bảy ngôi sao.
Cảm ơn thầy và các bạn đã chú ý lắng nghe