Hố trắng

Ảnh phản chiếu của hố đen: làm sao tạo ra một cái, và nó sẽ trông thế nào

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

Từng bước

Một hố đen, chiếu ngược

Các phương trình của thuyết tương đối rộng chạy như nhau dù thời gian đi chiều nào. Chiếu ngược câu chuyện của một hố đen và bạn có hố trắng: thứ mà không gì vào được và phóng vật chất ra.

Hố đen là nơi mà không gì, kể cả ánh sáng, thoát ra được. Các phương trình Einstein không quan tâm thời gian đi chiều nào, nên chúng có một nghiệm phản chiếu: hố trắng, từ đó mọi thứ đi ra và không gì đi vào được. Igor Novikov đề xuất năm 1964 rằng những vật như vậy có thể thật sự tồn tại.

Từ xa hai loại trông giống nhau. Hấp dẫn bên ngoài hố trắng giống bên ngoài hố đen cùng khối lượng, nên ánh sáng bị bẻ cong quanh nó như nhau và các hành tinh sẽ quay quanh nó như nhau. Khác biệt ở mép: ở chân trời hố đen mọi thứ đi vào, ở chân trời hố trắng mọi thứ đi ra.

Chưa từng tìm thấy hố trắng. Mọi thứ ở đây là lý thuyết: hình ảnh là một hố đen mười Mặt Trời, rộng 59 km, và phần sau là những gì các phương trình nói về ảnh phản chiếu của nó.

Một bản đồ, bốn vùng

Nghiệm đầy đủ của các phương trình Einstein cho một hố đen đơn độc gồm bốn vùng: vũ trụ của ta, một hố đen, một hố trắng và một vũ trụ khác. Hố trắng ở trong quá khứ, hố đen ở trong tương lai.

Năm 1960 Kruskal và Szekeres tìm ra bản đồ đầy đủ của không gian quanh hố đen. Vẽ thành sơ đồ trong đó ánh sáng luôn đi 45 độ, nó là một hình vuông bị hai đường chéo cắt thành bốn tam giác. Vũ trụ của ta ở bên phải và thời gian đi lên.

Bất cứ gì rơi vào từ vũ trụ của ta đi sang vùng phía trên, hố đen. Mọi thứ từng thoát ra từ hố trắng đều đi từ vùng phía dưới, trong quá khứ. Không gì từ vũ trụ của ta có thể vào hố trắng, vì điều đó nghĩa là quay ngược thời gian.

Hố đen do một ngôi sao sụp đổ tạo ra không có vùng hố trắng: bề mặt ngôi sao cắt bản đồ, và hố trắng cùng vũ trụ thứ hai không bao giờ có ở đó. Vì thế hố trắng cần câu chuyện riêng về cách nó có thể hình thành.

Làm sao tạo ra một cái

Không điều gì đã biết tạo ra nó. Một ý tưởng: ngôi sao sụp đổ đạt trạng thái đặc nhất mà hấp dẫn lượng tử cho phép, bật lại, và hố đen trở thành hố trắng. Cú bật lại được vẽ ra.

Thuyết Einstein nói vật chất trong hố đen sụp thành một điểm có mật độ vô hạn, điều gần như không ai tin. Hấp dẫn lượng tử vòng, một nỗ lực nối hấp dẫn với vật lý lượng tử, nói rằng không gian không thể bị nén dưới một kích thước nhỏ nhất, nên sự sụp đổ dừng lại và bật ngược: một sao Planck.

Ý tưởng kia cũ hơn. Novikov gợi ý năm 1964 rằng một số vùng của vũ trụ sơ khai tụt lại sau sự giãn nở và bùng ra muộn thành hố trắng. Rovelli và Vidotto lập luận năm 2018 rằng tàn dư nhỏ xíu của các hố đen đã bay hơi có thể là hố trắng, tạo nên một phần vật chất tối. Chưa cái nào được thấy.

Một phần nghìn giây cuối cùng

Khi một ngôi sao sụp thành hố đen, bề mặt của nó, nhìn từ xa, bò về phía chân trời, đỏ dần và mờ đi theo hệ số e mỗi phần tư mili giây, với mười Mặt Trời (Ames và Thorne, 1968). Chiếu ngược, đó là một hố trắng đang mở ra: một đĩa tối, rồi một ánh đỏ mờ sáng dần và chuyển sang trắng xanh.

Đây là nghiệm chính xác, sự sụp đổ của quả cầu bụi chiếu ngược (Oppenheimer và Snyder, 1939). Bề mặt ngôi sao sẽ đi ra khỏi cái bóng, lúc đầu đúng ở chân trời rồi cao dần, cho đến khi cả cái bóng đầy ánh sáng.

Vậy cái bóng không đen lâu: ánh sáng đáng lẽ bị giữ lại có thể thoát ra khỏi hố trắng. Mọi phần của bước này được vẽ từ các phương trình. Chưa ai thấy điều gì tương tự.

Nó không thể tồn tại lâu

Không gì có thể rơi vào hố trắng, nhưng mọi thứ ở gần đều cố. Năm 1974 Eardley chỉ ra rằng ánh sáng rơi về phía một hố trắng sẽ dồn lại ở mép, thu năng lượng vô hạn và biến nó thành hố đen.

Chân trời của hố trắng chỉ có thể rời đi, không bao giờ vượt qua theo chiều ngược lại. Nhưng vật chất và ánh sáng từ ngoài vẫn di chuyển về phía nó, bị hấp dẫn kéo, và không vào được. Nên chúng tụ lại ở chân trời, như xe cộ trước một cổng đóng.

Nhìn từ vật chất đang ra khỏi hố trắng, đám người đến muộn này bị nén lại và dịch về phía xanh vô hạn. Douglas Eardley chỉ ra năm 1974 rằng ngay cả sự rơi yếu nhất cũng mang đủ năng lượng làm hố trắng sụp thành hố đen. Cùng năm ấy Zel'dovich, Novikov và Starobinskii tìm ra một sự bất ổn thứ hai, từ hiệu ứng lượng tử.

Vì thế người ta không mong có hố trắng vĩnh cửu: nếu một cái hình thành, nó sẽ sống ngắn. Lớp vỏ xanh nhạt vẽ ở đây tượng trưng cho ánh sáng rơi vào; không thể thấy được.

Một hố trắng bạn có thể tự làm

Bạn có thể làm một hố trắng cho sóng. Năm 2011 Weinfurtner và đồng nghiệp gửi sóng ngược một dòng chảy nhanh trong kênh nước: chỗ dòng chảy vượt qua, sóng bị chặn lại, như ánh sáng ở mép hố trắng.

Sóng trên nước đi với tốc độ phụ thuộc bước sóng. Cho nước chảy nhanh hơn trên một gờ trơn, và sóng dài đi ngược dòng chậm dần cho đến khi dòng chảy bằng tốc độ của chúng. Ở đó chúng không đi tiếp được: một mép sóng không vượt qua, như chân trời hố trắng đối với ánh sáng.

Ở mép đó sóng dài bị biến thành sóng ngắn, tương tự điều xảy ra với ánh sáng ở hố trắng. Nhóm của Silke Weinfurtner đo nó năm 2011 (Physical Review Letters) và thấy sự chuyển đổi có tính chất nhiệt như bức xạ Hawking được dự đoán. Rousseaux và đồng nghiệp đã thấy một sự chuyển đổi tương tự trong một bể năm 2008.

Nó không phải hố trắng thật: không có hấp dẫn, không có ánh sáng, chỉ có nước. Nhưng toán học giống nhau, vì vậy những bể như thế được dùng để thử các ý tưởng về hố đen và hố trắng. Sóng và dòng chảy ở đây được vẽ ra.

Vụ Nổ Lớn có phải là hố trắng?

Ở quy mô lớn nhất Vụ Nổ Lớn trông như một hố trắng: một sự bùng ra của vật chất từ một điểm. Một số nhà vật lý nghĩ vũ trụ của ta là bên trong một hố đen đã bật lại. Cú bật lại được vẽ ra.

Bên trong một quả cầu bụi đang sụp là một vũ trụ đóng chiếu ngược, như Oppenheimer và Snyder tìm ra năm 1939. Chiếu xuôi thì quả cầu là một vũ trụ nở ra bắt đầu từ một điểm: một Vụ Nổ Lớn. Hai điều là cùng một toán học, mỗi cái là gương của cái kia.

Năm 1972 Raj Pathria gợi ý vũ trụ của ta có thể là bên trong một hố đen trong một vũ trụ lớn hơn. Nikodem Popławski đề xuất năm 2010 một phiên bản trong đó spin và xoắn chặn sự sụp đổ bên trong mọi hố đen và làm nó bật thành một vũ trụ mới đang nở ra.

Đây là những ý tưởng, không phải kết quả. Không gì ta đo được phân biệt chúng với Vụ Nổ Lớn chuẩn, và vũ trụ thật nở ra mọi phía cùng lúc, không phải một sự bùng ra từ một nơi.

Đã có ai thấy chưa?

Chưa. Một số ý tưởng nói hố trắng nhỏ xíu có thể đang lóe lên bây giờ như các chớp sóng vô tuyến nhanh, hoặc ẩn mình làm vật chất tối, nhưng chưa tín hiệu nào được gắn với một cái. Hố trắng vẫn ở trong các phương trình.

Barrau, Rovelli và Vidotto gợi ý năm 2014 rằng một hố đen hình thành trong vũ trụ sơ khai có thể bật thành hố trắng ngày nay và phát ra một chớp sóng vô tuyến. Các chớp sóng vô tuyến nhanh, những tia lóe mili giây chưa rõ nguồn gốc, có bước sóng không xa điều họ ước tính. Đó là phỏng đoán về nguyên nhân, chưa có bằng chứng.

Rovelli và Vidotto lập luận năm 2018 rằng hố trắng cỡ Planck, còn lại khi các hố đen nhỏ xíu bay hơi xong, có thể tạo nên một phần vật chất tối. Những vật như vậy quá nhỏ để thấy trực tiếp.

Vậy hố trắng vẫn ở nơi nó bắt đầu: một ảnh phản chiếu trong các phương trình, không quan sát nào cần đến nó và có lý do mạnh vì sao nó có thể không tồn tại lâu. Các bể cho thấy toán học đúng; liệu tự nhiên có bao giờ làm ra một cái vẫn còn bỏ ngỏ.