Nếu đến gần sao neutron hoặc hố đen, bầu trời sẽ biến dạng ra sao?

Nếu một con tàu có thể tiến gần sao neutron hoặc hố đen, người quan sát sẽ không thấy bầu trời chỉ tối đi hay các ngôi sao sáng hơn. Cả nền trời có thể bị bẻ cong: một vật thể xuất hiện thành nhiều ảnh, ánh sáng đổi sang đỏ hoặc xanh tùy hướng truyền, còn những vòng sáng có thể bao quanh vật thể có hấp dẫn cực mạnh. Đây là kết quả của một chuyến du hành giả định được mô phỏng bằng các hiệu ứng tương đối tính, không phải trải nghiệm mà con người có thể thực hiện. [1]

Điểm quyết định là mức độ nén của vật thể. Sao neutron thông thường, sao neutron siêu đặc và hố đen đều làm đường đi của ánh sáng lệch khỏi đường thẳng quen thuộc, nhưng mức độ biến dạng tăng lên khi người quan sát tiến vào vùng hấp dẫn mạnh hơn. Vì vậy, câu hỏi “nhìn thấy gì” phải được trả lời theo từng chặng: ánh sáng đến từ đâu, đi qua vùng nào và có thể vòng quanh vật thể bao nhiêu lần. [1]

Vì sao bầu trời không còn phẳng?

Ở khoảng cách thông thường, ta có thể hình dung ánh sáng từ một ngôi sao đi theo đường gần như thẳng tới mắt. Gần một vật thể cực kỳ đặc, trường hấp dẫn làm đường truyền ấy cong. Người quan sát khi đó không còn nhìn thấy vị trí hình học đơn giản của nguồn sáng, mà thấy hình ảnh theo hướng mà tia sáng cuối cùng đi vào mắt. Một ngôi sao vốn ở phía sau vật thể vẫn có thể hiện ra ở vùng trời lệch sang bên. [1]

Điều này không có nghĩa bầu trời bị xé thành một mặt phẳng mới. Hình nón hướng nhìn chỉ là cách mô tả tập hợp các hướng mà mắt hoặc camera nhận ánh sáng. Khi con tàu đổi vị trí quanh sao neutron, các tia sáng đi qua những vùng hấp dẫn khác nhau, nên hình ảnh các ngôi sao cũng thay đổi liên tục. Một chòm sao quen thuộc có thể bị kéo giãn, lệch vị trí hoặc biến dạng mà bản thân các ngôi sao không hề chuyển động đột ngột. [1]

Làm thế nào một vật thể thành nhiều ảnh?

Một nguồn sáng có thể gửi ánh sáng đến người quan sát theo nhiều đường cong khác nhau. Một đường đi lướt qua một phía vật thể, đường khác đi qua phía đối diện; nếu trường hấp dẫn đủ mạnh, cả hai vẫn có thể kết thúc tại cùng một người quan sát. Mắt sẽ nhận chúng như những ảnh riêng biệt của cùng một nguồn. Đây là hiện tượng nhiều ảnh, không phải nhiều vật thể mới xuất hiện. [1]

Khi con tàu tiếp tục di chuyển, các ảnh kép hoặc ảnh bội có thể trượt quanh vùng tối của vật thể. Ở một cấu hình hình học đặc biệt, ánh sáng từ nguồn phía sau bị uốn quanh vật thể và tạo thành một vòng sáng liên tục. Vòng đó thường được gọi là vòng Einstein. Nếu ánh sáng có thể đi theo những đường vòng phức tạp hơn, lý thuyết còn cho phép xuất hiện nhiều vòng đồng tâm hoặc gần đồng tâm. Chúng là ảnh của các đường truyền khác nhau, không phải những cấu trúc rắn lơ lửng trong không gian. [1]

Vì sao ánh sáng đổi sang đỏ hoặc xanh?

Màu mà người quan sát nhận được phụ thuộc vào cách ánh sáng di chuyển qua trường hấp dẫn và vào chuyển động tương đối giữa nguồn sáng với người quan sát. Khi ánh sáng mất năng lượng trên đường thoát khỏi vùng hấp dẫn mạnh, bước sóng của nó có thể dài hơn, khiến ánh sáng dịch về phía đỏ. Ở chiều ngược lại, ánh sáng đi vào vùng hấp dẫn hoặc đến từ hướng có chuyển động thích hợp có thể bị dịch về phía xanh. [1]

Vì thế, cùng một vùng trời không nhất thiết có một màu cố định. Khi con tàu thay đổi độ cao hoặc bay quanh vật thể, các vùng sáng và tối có thể đổi màu theo hướng nhìn. Một chi tiết quan trọng là độ sáng bề mặt không tự động biến mất chỉ vì hình ảnh bị kéo giãn. Trong mô tả tương đối tính, sự biến dạng hình ảnh và sự bảo toàn độ sáng bề mặt cần được xét cùng nhau; nếu chỉ vẽ các ngôi sao thành những vệt mờ hơn, ta sẽ bỏ qua một phần hiệu ứng mà người quan sát thực sự được dự đoán là thấy. [1]

Sao neutron thông thường trông khác gì?

Trong chuyến du hành giả định, sao neutron “thông thường” được dùng làm trường hợp có hấp dẫn bề mặt tương đối yếu hơn so với sao neutron siêu đặc. Người quan sát vẫn thấy ánh sáng bị bẻ cong và vị trí các nguồn sáng bị lệch, nhưng các biến dạng chưa đạt mức cực đoan nhất. Bề mặt của vật thể vẫn đóng vai trò một mốc trực quan: khi con tàu hạ xuống, phần trời gần đường chân trời có thể bị kéo vào vùng nhìn thấy khác với dự đoán theo hình học phẳng. [1]

Sự khác biệt quan trọng nằm ở mức độ thay đổi theo vị trí. Càng tiến gần, người quan sát càng nhìn thấy nhiều đường truyền ánh sáng bị uốn cong, vì vậy các ảnh trùng lặp và hình ảnh lệch hướng trở nên đáng kể hơn. Tuy nhiên, đây vẫn là mô phỏng cho một người quan sát đang di chuyển trong môi trường khắc nghiệt. Bức xạ mạnh và chênh lệch hấp dẫn giữa đầu với chân sẽ khiến chuyến đi thực tế không phải một chuyến tham quan có thể sống sót. [1]

Sao neutron siêu đặc đẩy hiệu ứng đến đâu?

Sao neutron siêu đặc được đặt vào trường hợp có hấp dẫn bề mặt cực mạnh. Ở đó, ánh sáng có thể bị bẻ cong đến mức người quan sát nhìn thấy những phần của bầu trời vốn bị che khuất trong môi trường bình thường. Khái niệm “bên dưới đường chân trời” cũng trở nên kém trực quan, vì tia sáng có thể rời khỏi vùng gần bề mặt theo những đường cong lớn rồi mới đi vào mắt. [1]

Khi hướng nhìn thay đổi, một nguồn sáng có thể hiện thành nhiều ảnh rõ hơn, còn các vòng Einstein có thể xuất hiện ở nhiều bán kính góc khác nhau. Bán kính góc ở đây là khoảng cách biểu kiến trên bầu trời tính từ hướng trung tâm mà người quan sát đang nhìn, chứ không phải bán kính thật của một chiếc vòng vật chất. Cách phân biệt này giúp tránh một ngộ nhận phổ biến: hình ảnh lớn hơn trên nền trời không đồng nghĩa vật thể đã phình to. [1]

Hố đen khác ở điểm nào?

Gần hố đen, các hiệu ứng trên không biến mất mà trở nên cực hạn hơn. Ánh sáng từ những vùng ở phía sau có thể bị bẻ cong thành các ảnh phụ, thậm chí tạo những vòng rất gần nhau khi các tia sáng đi theo những quỹ đạo vòng quanh vùng hấp dẫn. Một vùng được gọi là cầu photon mô tả nơi ánh sáng có thể chuyển động theo các quỹ đạo đặc biệt quanh hố đen; đó là vùng hình học của đường đi ánh sáng, không phải một lớp vỏ rắn. [1]

Nếu có thể quan sát chuyến đi này từ một con tàu, bầu trời sẽ giống một bản đồ liên tục bị tái sắp xếp: hình ảnh nhân lên, màu sắc thay đổi, các vòng sáng xuất hiện rồi dịch chuyển theo vị trí của người quan sát. Nhưng “nhìn thấy” không đồng nghĩa “có thể đến gần”. Công trình của Robert J. Nemiroff nhấn mạnh đây là những chuyến đi tưởng tượng được dựng bằng mô phỏng đúng với tương đối tính; bức xạ, lực hấp dẫn bề mặt và lực thủy triều đều đặt ra trở ngại nghiêm trọng cho con người. Điều còn lại có giá trị nhất là cách nó cho thấy bầu trời không chỉ là phông nền: trong hấp dẫn cực mạnh, chính đường đi của ánh sáng quyết định hình dạng của thế giới ta nhìn thấy. [1]