Các ngôi sao khối lượng lớn tạo ra ánh sáng và nhiệt thông qua phản ứng nhiệt hạch trong lõi. Quá trình này sinh ra áp suất hướng ra ngoài, cân bằng với lực hấp dẫn kéo vật chất vào bên trong. Tuy nhiên, khi một ngôi sao cực kỳ đồ sộ cạn kiệt nhiên liệu, cơ chế nâng đỡ này biến mất. Lực hấp dẫn chiếm ưu thế, khiến ngôi sao sụp đổ vào trong cho đến khi đạt tới trạng thái mà các nhà vật lý gọi là điểm kỳ dị (singularity) – nơi vật chất bị nén đến mức cực đoan.

Mặc dù hố đen được chấp nhận rộng rãi là kết quả cuối cùng của quá trình sụp đổ này, chúng đặt ra nhiều câu hỏi sâu sắc. Làm thế nào khối lượng tương đương hàng tỷ Mặt Trời có thể bị nén vào một điểm duy nhất? Làm sao không-thời gian có thể bị bẻ cong vô hạn tại điểm kỳ dị? Ở giai đoạn đó, các định luật vật lý hiện nay không còn cung cấp những câu trả lời đáng tin cậy, khiến việc dự đoán điều gì xảy ra tiếp theo trở nên bất khả thi. Hố đen cũng che giấu mọi thứ phía sau chân trời sự kiện của chúng, nghĩa là vật chất, năng lượng và thậm chí cả ánh sáng đều không thể được quan sát sau khi vượt qua ranh giới này.

Gravastar – Một lựa chọn thay thế cho hố đen

Chính vì những thách thức đó, một số nhà khoa học đã nghiên cứu khả năng rằng hố đen thực chất có thể là những loại vật thể khác. Một trong những giả thuyết được đề xuất là gravastar (viết tắt của gravitational vacuum star – ngôi sao chân không hấp dẫn). Những vật thể siêu đặc giả thuyết này gần như không thể quan sát trực tiếp do trường hấp dẫn cực mạnh của chúng.

Không giống như hố đen, gravastar sẽ chứa vật chất thông thường ở các lớp bên ngoài, trong khi phần bên trong được lấp đầy bởi năng lượng tối. Dạng năng lượng bí ẩn này sẽ tạo ra áp suất hướng ra ngoài để chống lại sự sụp đổ do hấp dẫn gây ra. Nhờ đó, gravastar có thể duy trì khối lượng và độ đặc gần tương đương hố đen mà không cần chứa điểm kỳ dị hay chân trời sự kiện.

Mặc dù gravastar từ lâu đã thu hút sự quan tâm như một khả năng lý thuyết, vẫn còn một câu hỏi lớn chưa được giải đáp: chúng thực sự hình thành như thế nào?

Phương trình Einstein và một vũ trụ thu nhỏ

Hai nhà vật lý lý thuyết Daniel Jampolski và Giáo sư Luciano Rezzolla hiện đã phát triển điều mà họ mô tả là lời giải động lực học đầu tiên của các phương trình Thuyết Tương đối Rộng của Einstein, giải thích cách một ngôi sao đang sụp đổ có thể biến thành gravastar.

Công trình của họ cho thấy rằng trong quá trình sụp đổ của một ngôi sao khối lượng lớn, một vũ trụ thu nhỏ có thể xuất hiện bên trong phần vật chất đang co lại. Theo các nhà nghiên cứu, quá trình này sẽ tương tự như Vụ Nổ Lớn (Big Bang) đã khai sinh vũ trụ của chúng ta. Cũng giống như năng lượng tối được cho là động lực thúc đẩy sự giãn nở của vũ trụ hiện nay, nó sẽ cung cấp năng lượng cho sự phát triển của vũ trụ thu nhỏ mới hình thành này.

Khi vũ trụ thu nhỏ giãn nở, nó tạo ra lực đẩy hướng ra ngoài chống lại quá trình sụp đổ do hấp dẫn của ngôi sao. Lực đối kháng này có thể ngăn chặn sự sụp đổ trước khi một hố đen kịp hình thành. Cuối cùng, một trạng thái cân bằng được thiết lập giữa vũ trụ đang giãn nở và vật chất sao đang co lại. Chính trạng thái cân bằng đó tạo nên một gravastar ổn định.

Theo các nhà nghiên cứu, đây là lời giải thích đầu tiên cho vấn đề mà giới khoa học đã tranh luận suốt khoảng 25 năm: gravastar có thể xuất hiện từ sự sụp đổ của vật chất thông thường như thế nào.

Những khả năng mới trong vật lý cực hạn

Daniel Jampolski, người phát hiện ra lời giải này trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ dưới sự hướng dẫn của Luciano Rezzolla, giải thích:

“Vụ Nổ Lớn của vũ trụ mới hình thành có thể diễn ra khi ngôi sao đã sụp đổ gần tới mức trở thành một hố đen.”

Hành vi của vật chất dưới áp suất nén cực đoan như vậy vẫn chưa được hiểu rõ, do đó vẫn tồn tại khả năng xuất hiện những hiệu ứng vật lý hoàn toàn mới. Jampolski cho biết:

“Dễ hình dung hơn khi Vụ Nổ Lớn chỉ xảy ra ở giai đoạn rất muộn, khi vật chất đã bị nén đến mức cực hạn, từ đó tạo ra những hiệu ứng mới.”

Trong khi đó, Luciano Rezzolla, Giáo sư Vật lý Thiên văn Lý thuyết tại Goethe University, nhấn mạnh rằng việc tìm kiếm các phương án thay thế không đồng nghĩa với việc phủ nhận sự tồn tại của hố đen. Ông nói:

“Việc tìm kiếm các lựa chọn thay thế cho hố đen không nên được hiểu là sự hoài nghi đối với hố đen, vốn vẫn là lời giải thích tự nhiên và đơn giản nhất cho số phận của sự sụp đổ hấp dẫn. Tuy nhiên, với tư cách là các nhà khoa học nói chung, và các nhà vật lý lý thuyết nói riêng, điều thiết yếu là phải duy trì cách tiếp cận khách quan đối với những gì chúng ta chưa biết, đồng thời khám phá cả những quan điểm được chấp nhận rộng rãi lẫn những cách diễn giải táo bạo hơn. Lịch sử cho thấy không hiếm trường hợp những ý tưởng từng bị xem là khác thường cuối cùng lại trở thành quan điểm chính thống.”