Nếu Mặt Trời trở thành lỗ đen thì sao?

Mặt Trời bị nén thành một lỗ đen rộng 6 km: các hành tinh vẫn giữ quỹ đạo, nhưng ánh sáng và hơi ấm không còn

Một giả thuyết: vật lý cho phép trên giấy, nhưng chưa ai từng thấy. Mọi thứ theo lý thuyết hiện nay.

Từng bước

Lực hút vẫn thế

Năm 1687, Newton chứng minh rằng bên ngoài một vật thể tròn, lực hút của nó giống hệt như khi toàn bộ khối lượng nằm ở tâm: định lý vỏ cầu. Thuyết hấp dẫn của Einstein cũng đồng ý, qua định lý Birkhoff năm 1923: bên ngoài một khối lượng tròn, không gian có cùng hình dạng dù khối lượng bên trong làm gì đi nữa. Vì vậy một lỗ đen nặng bằng một Mặt Trời sẽ hút Trái Đất đúng như Mặt Trời bây giờ.

Chỉ có hai điều thay đổi: không còn ánh sáng Mặt Trời, và không còn hơi ấm của Mặt Trời. Phần còn lại của câu chuyện này là điều đó có nghĩa gì, được tính bằng những con số đo đạc. Chuyện như thế chưa từng xảy ra, và không thể xảy ra với Mặt Trời của chúng ta.

Có thể tạo ra nó thế nào

Tự nhiên không thể làm điều này với Mặt Trời. Lỗ đen ra đời khi một ngôi sao nặng hơn khoảng 20 Mặt Trời cạn nhiên liệu và lõi của nó sụp vào chính nó. Phần còn lại phải nặng hơn khoảng 2,3 Mặt Trời, nếu không nó sẽ dừng lại thành một sao neutron: sao neutron nặng nhất được biết, PSR J0952−0607, nặng 2,35 Mặt Trời (Romani và cộng sự, 2022).

Vì vậy đây là một thí nghiệm tưởng tượng: Mặt Trời đơn giản được thay bằng một lỗ đen cùng khối lượng. Nén nó thật sự sẽ giải phóng năng lượng gấp hàng trăm lần lượng Mặt Trời tỏa ra trong cả đời; điều đó được bỏ qua ở đây. Hình vẽ cho thấy sự co lại theo thang trượt.

Tám phút nắng

Liệu Trái Đất có cảm thấy lực hút thay đổi sớm hơn không? Những thay đổi của lực hấp dẫn cũng lan truyền với tốc độ ánh sáng: năm 2017, sóng hấp dẫn từ vụ va chạm sao neutron GW170817 tới nơi chỉ chênh với ánh sáng của nó chưa đầy hai giây, sau 130 triệu năm trên đường. Nhưng ở đây không có thay đổi nào để truyền đi: lỗ đen hút đúng như Mặt Trời trước kia.

Mặt Trăng và các hành tinh chỉ sáng nhờ ánh sáng Mặt Trời, nên chúng cũng sẽ tắt, mỗi thiên thể vào lúc ánh sáng phản chiếu cuối cùng của nó tới chúng ta: Mặt Trăng trong vòng ba giây sau Mặt Trời, Sao Mộc hơn một giờ sau, và Sao Hải Vương khoảng 8 giờ sau.

Bầu trời đen

Không còn ánh nắng để tán xạ, không khí thôi phát sáng màu xanh, nên bầu trời ban ngày đen như ban đêm. Mặt Trăng sẽ biến mất, chỉ nhận ra được ở chỗ nó che khuất các vì sao. Lỗ đen quá nhỏ để hiện trong hình, nên vị trí của nó được đánh dấu.

Cái lạnh

Tốc độ đạt tới đó được tính bằng một mô hình đơn giản: đá đưa nhiệt từ dưới lên, và không khí bên trên để nhiệt thoát ra không gian. Hiệu ứng nhà kính yếu dần khi cái lạnh làm hơi nước, rồi sau đó cả carbon dioxide, đông lại và rời khỏi không khí. Gió mang hơi ấm từ biển vào, vốn sẽ làm chậm việc đất liền nguội đi lúc đầu, được bỏ qua.

Biển đóng băng

Vậy là biển sẽ không đông cứng trong một năm hay một thế kỷ: dưới một nắp băng, nước lỏng sẽ tồn tại hàng chục nghìn năm. Các nhiệt độ và độ dày của băng là của mô hình này, và một mô hình đầy đủ hơn có thể cho những con số hơi khác.

Sự sống trong bóng tối

Sự sống trên bề mặt, vốn sống nhờ thức ăn do thực vật tạo ra từ ánh nắng, sẽ chết hết trong vài tháng. Nhưng một số sự sống chưa bao giờ cần Mặt Trời: chúng sống nhờ hóa chất từ đá, dưới đáy biển và sâu trong lòng đất.

Năm 1977, tàu lặn Alvin tìm thấy những suối nước nóng dưới đáy Thái Bình Dương gần quần đảo Galápagos, đầy giun ống khổng lồ, nghêu và cua. Chúng sống nhờ các vi sinh vật lấy năng lượng từ hydro sulfua trong nước dâng lên từ đá, chứ không phải từ ánh sáng.

Nhiều vi sinh vật đó, và các loài động vật, vẫn thở oxy do thực vật tạo ra dưới ánh nắng và hòa tan trong biển. Không có Mặt Trời thì không còn oxy mới, nên các loài động vật lớn ở những suối đó sẽ chết dần khi oxy cạn. Các vi sinh vật không cần oxy sẽ tiếp tục sống.

Sâu hơn nữa, năm 2008 người ta tìm thấy một loài vi khuẩn, Desulforudis audaxviator, sống đơn độc ở độ sâu 2,8 km trong một mỏ vàng Nam Phi, nhờ nước bị phân tách bởi phóng xạ của đá (Chivian và cộng sự). Sự sống như thế có thể kéo dài trong bóng tối hàng triệu năm.

Nhìn gần

Các lỗ đen được Event Horizon Telescope chụp, M87* năm 2019 và Sagittarius A* năm 2022, hiện ra một vòng sáng vì khí rơi vào chúng và bị nung nóng. Quanh lỗ đen thay cho Mặt Trời, không gian gần như trống rỗng, nên nó sẽ không phát sáng: người ta chỉ thấy nó qua cách nó bẻ cong bầu trời.

Sự bẻ cong ánh sáng sao trong hình tuân theo thuyết tương đối rộng, từng tia một. Bản thân các ngôi sao được vẽ, và bầu trời được làm sáng hơn thực tế, như với đôi mắt đã quen bóng tối từ lâu.

Bị kéo giãn

Gần hơn nữa, nó sẽ kéo một cơ thể thành một sợi dài mảnh, điều mà các nhà thiên văn gọi là hiện tượng sợi mì, từ rất lâu trước khi tới chân trời sự kiện. Ở nơi từng là bề mặt Mặt Trời, cách 696.000 km, sức kéo nhỏ hơn một phần triệu trọng lực Trái Đất: lực thủy triều phụ thuộc vào việc bạn ở gần đến đâu, chứ không phải lỗ đen nhỏ đến đâu.

Lỗ đen lớn thì dịu hơn ở rìa. Ở chân trời sự kiện của Sagittarius A*, nặng gấp bốn triệu lần, sức kéo lên một người nhỏ hơn trọng lực Trái Đất rất nhiều, và bạn có thể vượt qua nó mà không cảm thấy gì. Các vòng trong hình đánh dấu nơi sức kéo bằng một và mười lần trọng lực Trái Đất.

Điều thực sự sẽ xảy ra

Một ngôi sao chỉ thành lỗ đen nếu sinh ra với khối lượng lớn hơn khoảng 20 lần Mặt Trời. Thay vào đó, Mặt Trời sẽ cạn hydro trong lõi, phình to tới khoảng 200 lần bề rộng của nó và thổi bay các lớp ngoài. Lõi nóng của nó sẽ còn lại thành một sao lùn trắng, to cỡ Trái Đất, nguội dần trong hàng nghìn tỷ năm.

Trái Đất sẽ tiếp tục quay quanh nó, nếu không bị sao khổng lồ đỏ nuốt trước, và bầu trời đêm sẽ có một ngôi sao trắng nhỏ, mờ dần thay cho Mặt Trời. Mô phỏng Cái chết của Mặt Trời, trong Hiện tượng, cho thấy nó sẽ thực sự kết thúc ra sao.

Lỗ đen gần nhất được biết, Gaia BH1, ở cách 1.560 năm ánh sáng (El-Badry và cộng sự, 2023). Nó nặng gấp mười lần Mặt Trời, và một ngôi sao giống Mặt Trời quay quanh nó, như Trái Đất sẽ quay quanh một Mặt Trời đã hóa lỗ đen.