Bất kể vật thể nào trong vũ trụ bao la rộng lớn này cũng đều xoay vòng. Các tiểu hành tinh lộn quanh trục ngang. Các hành tinh cùng vệ tinh của chúng xoay quanh trục xiên. Cả hố đen cũng xoay nữa và tốc độ xoay của chúng có khi đạt tới cực đại. Và tốc độ xoay của hố đen ở thiên hà của chúng ta đã đạt đến mức đó.
Hình ảnh mô phỏng khí phát sáng xung quanh hố đen đang xoay - Ảnh: Chris White /Đại học Princeton
Tốc độ xoay cực đại của những thiên thể như Trái Đất chịu ảnh hưởng lớn từ trọng lực bề mặt. Sức nặng ta cảm thấy khi đứng trên Trái Đất không phải toàn bộ do lực hút gây ra. Hoạt động tự quay quanh trục của Trái Đất tạo ra “lực ly tâm” có xu hướng hất tung mọi thứ trên bề mặt vào không trung. Tuy vô cùng nhỏ, lực này làm cho trọng lượng của bất kỳ ai khi ở vị trí xích đạo thấp hơn trọng lượng chính người đó khi ở một trong hai hai cực.
Với chu kỳ quay 24 giờ, Trái Đất chỉ có độ chênh lệch trọng lượng giữa vùng cực và vùng xích đạo khoảng 0,3%. Nhưng vì chu kỳ quay 10 ngày nên chênh lệch trọng lực giữa vùng cực và vùng xích đạo của Sao Thổ lên tới 19%. Vì vậy mà vùng xích đạo Sao Thổ phình to ra hai bên. Giờ hãy tưởng tượng một vật thể có độ chênh lệch 100% giữa vùng cực và vùng xích đạo. Khi đó trọng lực và lực ly tâm tại đây triệt tiêu nhau, và nếu xoay nhanh hơn nữa, hành tinh có thể vỡ tung.
Hố đen thì khác. Chúng không có một “bề mặt” như các thiên thể, không được tạo thành từ bất kỳ vật chất nào. Song chúng vẫn có tốc độ xoay cực đại. Đặc điểm nổi bật của lỗ đen là trọng lực cực lớn, đến mức thời gian và không gian bị bẻ cong. Đường chân trời sự kiện là điểm mà bất kỳ vật thể nào cũng không thể tiến xa hơn nữa. Song, đường chân trời này lại không được cấu tạo bằng vật thể hữu hình.
Khi một thiên thể xoay, vật chất cấu tạo nên nó đi một vòng xung quanh trục; còn khi hố đen “xoay”, đó là lúc không gian - thời gian xung quanh nó bị xoáy vào trong. Thiên thể bình thường như Trái Đất cũng có thể làm không gian xung quanh xoáy cong, nhưng vô cùng ít. Đây là hiện tượng kéo hệ quy chiếu, và là cách hố đen “xoay” - làm xoáy cuộn và bẻ cong hệ không gian - thời gian xung quanh nó. Do bản chất của không gian và thời gian, tốc độ xoay của hố đen cũng có giới hạn, đạt đến mức cực đại thì không thể xoay nhanh hơn nữa. Theo phương trình thuyết tương đối rộng của Einstein, tốc độ xoay của hố đen được tính bằng đại lượng “a”, có giá trị từ 0 đến 1. Nếu hố đen không xoay, a = 0; nếu hố đen xoay với tốc độ cực đại, a = 1.
Trong nghiên cứu mới đây về hố đen siêu khối lượng trong Dải Ngân Hà, nhóm nghiên cứu xem xét sóng radio và tia X quanh nó để ước chừng tốc độ xoay là bao nhiêu. Do hiệu ứng kéo hệ quy chiếu, các phổ điện từ do vật thể xung quanh hố đen phát ra cũng bị biến dạng. Kiểm tra cường độ ánh sáng ở nhiều bước sóng khác nhau, nhóm đã có thể ước chừng giá trị a của hố đen trong Dải Ngân Hà: khoảng 0,84-0,96 - con số khá lớn. Một số ước đoán còn cho rằng tốc độ xoay của nó đã đạt cực đại. Chỉ số a của hố đen trong Dải Ngân Hà còn lớn hơn chỉ số của hố đen trong hệ M87, có giá trị ước tính dao động từ 0,89 đến 0,91.
Theo Universe Today