Các ngôi sao (hay Mặt trời) được duy trì nhờ phản ứng hợp hạch hạt nhân diễn ra trong lõi. Phần lớn các ngôi sao như Mặt trời của chúng ta biến đổi hydro trong lõi để tạo thành helium. Năng lượng mà các phản ứng này tạo ra đủ để hỗ trợ khối lượng của chúng chống lại lực hút trọng lực, vốn rất mạnh vì khối lượng khổng lồ của các ngôi sao.
Khi một ngôi sao bắt đầu cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân, nó có thể giãn nở và hình thành các nguyên tố nặng hơn như carbon và sắt. Cuối cùng khi hết sạch nhiên liệu, ngôi sao bắt đầu suy sụp. Chính tại thời điểm này, các ngôi sao bắt đầu trải qua những số phận khác nhau.
Cái chết của một ngôi sao
Tuổi thọ của một ngôi sao và trạng thái cuối cùng được xác định bởi khối lượng. Theo hiểu biết của con người đến nay, tất cả ngôi sao đều nằm dưới hai lực cơ bản: Lực hấp dẫn và áp suất bên trong được hình thành do sự hợp nhất của hydro thành helium.
Trọng lực tạo ra sức nóng và áp lực cực lớn bên trong lõi một ngôi sao, khởi động quá trình phản ứng nhiệt hạch tạo ra một lượng nhiệt và năng lượng khổng lồ làm cho ngôi sao tỏa sáng. Khí gaz khi đó bị đẩy ra ngoài để chống lại trọng lực. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi các lực cân bằng và ngôi sao được ổn định.
Khi hầu hết hydro hợp nhất thành helium, phản ứng hợp hạch dừng lại. Ngôi sao bắt đầu sụp đổ mà không có năng lượng từ phản ứng hạt nhân để chống lại. Điều gì xảy ra tiếp theo trong cuộc đời của một ngôi sao phụ thuộc vào khối lượng của nó.
Mặt trời của chúng ta hoặc các ngôi sao có khối lượng tương đương sẽ sụp đổ khi hết nhiên liệu và trở thành sao khổng lồ đỏ. Cái kết này sẽ xảy ra trong khoảng 5 tỷ năm nữa, và quỹ đạo sao Hỏa sẽ ở bên trong Mặt trời.
Ngôi sao sáng này khi đó sẽ phình to lên trước khi tiến vào giai đoạn cuối: Sao lùn trắng. Lúc này, nó sẽ co lại, và theo nguyên tắc loại trừ Pauli, các electron trong hạt nhân sẽ ở khoảng cách đủ xa để chống lại sự sụp đổ tiếp theo. Năng lượng này được gọi là ''thoái hóa điện tử'' (thoái hóa electron).
Sao lùn trắng có mật độ vật chất rất cao (1 muỗng cà phê sẽ nặng vài tấn) cuối cùng hạ nhiệt, trở thành một "xác chết" lạnh lẽo trong không gian.
Các ngôi sao lớn hơn 1,4 lần khối lượng Mặt trời (được gọi là giới hạn Chandrasekhar theo tên một nhà vật lý Ấn Độ) có xu hướng phát nổ, tạo thành vụ nổ siêu tân tinh, phóng phần lớn khối lượng của chúng đi khắp nơi. Các vụ nổ siêu tân tinh sáng tới mức, người ta quan sát được ánh sáng từ vụ nổ vào cả ban ngày. Nhiều tài liệu ghi lại sự xuất hiện của nó đã có vào thời trung cổ.
Một lõi trung tâm nhỏ của ngôi sao sẽ vẫn tồn tại nhưng không giống như các ngôi sao nhỏ hơn, sự thoái hóa electron không đủ để hỗ trợ khối lượng của ngôi sao chống lại lực hấp dẫn của chính nó. Khi đó, lõi sẽ tiếp tục co lại cho đến khi nó trở thành một ngôi sao neutron nhỏ bé nhưng có mật độ vật chất cực kỳ lớn.
Và nếu như ngay cả sự thoái hóa neutron cũng không đủ để chống lại trọng lực, lõi trung tâm của ngôi sao neutron sẽ tiếp tục co lại cho tới khi nó chỉ còn là một điểm cực nhỏ với mật độ vật chất cực lớn, còn gọi là dị điểm. Đây chính là trung tâm của một lỗ đen.
Một "con quỷ" phàm ăn được sinh ra
Để hình dung sự nén khủng khiếp của trọng lực, nếu như toàn bộ khối lượng trên Trái đất được nén lại để có mật độ vật chất tương đương lỗ đen, kích thước lỗ đen này chỉ to bằng nắm tay con người.
Lỗ đen có nhiều kích cỡ, nhưng có ba loại chính được phân biệt dựa trên khối lượng và kích thước.
Những lỗ đen nhỏ nhất được gọi là lỗ đen nguyên thủy. Các nhà khoa học tin rằng loại lỗ đen này nhỏ như một nguyên tử đơn lẻ nhưng có khối lượng của một ngọn núi lớn.
Loại lỗ đen cỡ trung bình phổ biến nhất được gọi là "stellar" (sao). Khối lượng một lỗ đen sao có thể lớn hơn khối lượng Mặt trời đến 20 lần, nhưng có thể "nhét" vừa trong một quả bóng đường kính 16 km. Hàng chục lỗ đen loại này có thể tồn tại trong dải ngân hà Milky Way.
 |
| Bản vẽ Cygnus X-1, một nguồn phát tia X thiên hà trong chòm sao Thiên Nga, được chấp nhận rộng rãi như là một lỗ đen đang hút lấy vật chất từ ngôi sao xanh bên cạnh. Ảnh: NASA. |
Các lỗ đen lớn nhất được gọi là lỗ đen "siêu khối". Loại lỗ đen này mang khối lượng lớn hơn 1 triệu lần so với Mặt trời, có đường kính khoảng bằng kích thước của cả Hệ.
Nhiều bằng chứng cho thấy mọi thiên hà lớn đều chứa một lỗ đen siêu khối ở trung tâm. Lỗ đen siêu khối ở trung tâm dải ngân hà được gọi là Sagittarius A. Nó có khối lượng tương đương khoảng 4 triệu lần Mặt trời, với đường kính khoảng bằng Mặt trời.
Bản chất của một lỗ đen sinh ra từ lõi một ngôi sao đã chết. Tùy vào khối lượng ban đầu của ngôi sao, nó có thể “sáng một lần rồi thôi” bằng cách nổ tung, hoặc thoái hóa và suy sụp trở thành một lỗ đen "ngốn" sạch mọi thứ xung quanh.