Dựa trên lý thuyết của Stephen Hawking, các nhà khoa học đã phát hiện ra lỗ đen mới, có thể giải thích được vật chất tối

Nghiên cứu mới cho thấy vật chất tối có thể là những lỗ đen hình thành chỉ sau 1/1.000.000.000.000.000.000 giây (một phần một tỷ tỷ giây) kể từ sự kiện Big Bang.

Trong suốt 50 năm qua, cộng đồng khoa học vẫn đang đối mặt với một vấn đề nan giải: lượng vật chất nhìn thấy được trong vũ trụ chưa đủ.

Các đối tượng như sao, hành tinh, bụi vũ trụ và các vật thể khác đều thuộc về 'vật chất nhìn thấy được'. Tuy nhiên, các quan sát cho thấy tương tác giữa chúng với môi trường vũ trụ chưa đủ để giải thích các quy luật hoạt động của vũ trụ. Theo NASA, cần có nhiều vật chất gấp 5 lần để các quan sát trở nên có ý nghĩa hơn.

Phần vật chất còn thiếu này được gọi là vật chất tối, vì nó không phát ra ánh sáng và không tương tác với nó.

Vào những năm 1970, hai nhà thiên văn học người Mỹ là Vera Rubin và W. Kent Ford đã chứng minh sự tồn tại của vật chất tối khi nghiên cứu các thiên hà xoắn ốc. Họ đã phát hiện ra rằng các ngôi sao ở rìa của các thiên hà này di chuyển quá nhanh, một tốc độ mà lực hấp dẫn và vật chất hiện có không thể giữ chúng lại.

Tuy nhiên, những ngôi sao vẫn chiếu sáng như thường. Điều này cho thấy rằng trong không gian tồn tại một loại chất liệu vô hình, duy trì sự liên kết của thiên hà này.

“Những gì quan sát được tại một thiên hà xoắn không phải là những điều chúng ta có thể hiểu được”, nhà thiên văn học Vera Rubin đã nói. Bà xây dựng nghiên cứu dựa trên giả thuyết của nhà thiên văn học Thụy Sĩ Fritz Zwicky từ những năm 30 và mở ra cuộc tìm kiếm vật chất bí ẩn trong giới khoa học.

Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực để quan sát vật chất tối, thậm chí xây dựng những thiết bị khổng lồ để phát hiện ra chúng. Tuy nhiên, vẫn chưa thành công.

Trong những nỗ lực đầu tiên để tìm kiếm vật chất tối, nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking đã đưa ra rằng vật chất tối có thể ẩn trong những lỗ đen hình thành từ giai đoạn Big Bang. Ông đã dành cả sự nghiệp của mình cho việc nghiên cứu lỗ đen và đưa ra nhiều lý thuyết có ảnh hưởng lớn đến vật lý hiện đại, nhưng vật chất tối vẫn thoát khỏi sự hiểu biết sâu sắc của Hawking.

Tuy nhiên, trong một nghiên cứu mới của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), các nhà khoa học đã sử dụng góc nhìn hiện đại để phân tích lại các lý thuyết cũ, cho thấy thành phần cấu tạo lỗ đen nguyên thủy và đồng thời chỉ ra khả năng tồn tại một loại lỗ đen hoàn toàn mới.

“Chúng tôi đã áp dụng các tính toán nổi tiếng của Stephen Hawking về lỗ đen, đặc biệt là các kết quả về bức xạ phát ra từ chúng”, David Kaiser, một trong các tác giả của nghiên cứu, nói. “Các lỗ đen đã lộ diện trong quá trình chúng tôi giải thích vật chất tối - chúng là kết quả không trực tiếp từ việc giải thích sự tồn tại của vật chất tối”.

Một phần tỷ giây đầu tiên

Từ khi khái niệm “vật chất tối” được hình thành, các nhà khoa học đã đưa ra nhiều giả thuyết về bản chất của nó, từ các hạt chưa được biết đến cho đến một chiều không gian khác. Tuy nhiên, chỉ đến gần đây, học thuyết về lỗ đen của Stephen Hawking mới được thảo luận.

“Mọi người không thực sự chú ý đến nó cho đến khoảng 10 năm trước”, Elba Alonso-Monsalve, một trong các tác giả của nghiên cứu, cho biết. “Đó là vì lỗ đen rất khó tìm thấy - vào đầu thế kỷ 20, người ta cho rằng nó chỉ là một hiện tượng toán học thú vị, không phải một thực thể vật lý”.

Hiện nay, chúng ta biết rằng tâm của hầu hết các thiên hà đều chứa một lỗ đen, và các thiết bị tiên tiến đã phát hiện ra cả sóng hấp dẫn được tạo ra từ va chạm của các lỗ đen. Những bằng chứng này cho thấy rằng lỗ đen là một hiện thực, và chúng có mặt rất nhiều trong vũ trụ bên ngoài.

“Thực tế là, vũ trụ rất nhiều lỗ đen”, Alonso-Monsalve nói. “Tuy nhiên, hạt vật chất tối vẫn chưa được tìm thấy, ngay cả khi ta tìm kiếm ở những nơi có thể có chúng. Tôi không nói điều này để phủ nhận việc vật chất tối là hạt, hay rằng chúng chắc chắn tồn tại trong lỗ đen. Có thể cả hai điều đều đúng. Nhưng bây giờ, khả năng lỗ đen là hạt vật chất tối đang được xem xét rất nghiêm túc”.

Trong một nghiên cứu mới được công bố gần đây, kết quả cho thấy giả thuyết của Hawking khá hợp lý. Tuy nhiên, công trình nghiên cứu của Alonso-Monsalve và giáo sư David Kaiser đã đi sâu hơn, tìm hiểu một cách chính xác những gì xảy ra khi lỗ đen nguyên thủy hình thành.

Nghiên cứu mới được công bố vào đầu tháng 6 trên tạp chí Physical Review Letters khẳng định lỗ đen nguyên thủy đã hình thành trong 1/1.000.000.000.000.000.000 giây đầu tiên sau Big Bang. “Chúng đã xuất hiện rất sớm, trước cả khi proton và neutron hình thành”, nhà nghiên cứu Alonso-Monsalve cho biết.

Trong thế giới hàng ngày, proton và neutron không tồn tại độc lập mà được tạo thành từ hạt quark nhỏ hơn, nối kết bởi gluon.

“Quark và gluon không thể tồn tại riêng rẽ vì vũ trụ rất lạnh”, Alonso-Monsalve nói. “Nhưng trong khoảnh khắc Big Bang, khi vũ trụ cực kỳ nóng, chúng có thể tồn tại tự do và hình thành lỗ đen nguyên thủy bằng cách hấp thụ quark và gluon tự do”.

Với nguồn gốc như vậy, chúng hoàn toàn khác biệt so với lỗ đen thông thường, hình thành từ sự sụp đổ của ngôi sao. Một lỗ đen nguyên thủy nhỏ gọn, có khối lượng tương đương một thiên thạch và thể tích bằng một nguyên tử.

Nếu những lỗ đen nguyên thủy này không biến mất và tồn tại đến ngày nay, chúng có thể giải thích phần lớn vật chất tối.

Dấu vết của chúng vẫn còn hiện diện đến nay

Theo kết quả của nghiên cứu, trong quá trình hình thành lỗ đen nguyên thủy, một chuỗi lỗ đen khoa học chưa được biết tới cũng hình thành; các nhà khoa học tin rằng chúng là phụ phẩm của quá trình hình thành lỗ đen nguyên thủy. Những thực thể này sẽ có khối lượng tương đương một con tê giác, với thể tích chỉ còn bé bằng một proton.

Nhờ kích cỡ nhỏ bé, những lỗ đen hiển vi này có thể hấp thụ được những đặc tính hiếm có từ hỗn hợp quark-gluon - nơi chúng được sinh ra. Đặc tính này có biệt danh “tích điện màu - color charge”, là một trạng thái điện tích chỉ có trên quark và gluon, chưa từng được quan sát trên vật thể thông thường.

Điện tích màu làm cho những lỗ đen dạng này đặc biệt, vốn thường không mang bất kỳ loại điện tích nào. “Chắc chắn những lỗ đen nhỏ xíu này cũng đã hình thành dưới dạng phụ phẩm [của quá trình hình thành lỗ đen nguyên thủy], tuy nhiên ngày nay chúng sẽ không còn tồn tại nữa, vì đã bốc hơi từ lâu rồi”, bà Alonso-Monsalve nói.

Nếu những lỗ đen này tồn tại song song với proton và neutron khi chúng hình thành, chắc hẳn sự bất cân bằng giữa hai loại hạt vừa nêu là một minh chứng cho sự tồn tại của chúng.

“Sự cân bằng giữa số lượng proton và neutron rất mong manh, và tồn tại dựa trên những thực thể hiện tại trong vũ trụ lúc đó. Nếu những lỗ đen chứa điện tích màu vẫn có mặt lúc ấy, chúng sẽ làm sai lệch sự cân bằng giữa proton và neutron, một loại hạt sẽ nhiều hơn loại hạt còn lại, [sự chênh lệch] này đủ lớn để trong vòng vài năm tới, chúng ta có thể tiến hành đo đạc”, bà Alonso-Monsalve nói thêm.

Việc đo đạc có thể được thực hiện thông qua các kính thiên văn đặt ngay trên Trái Đất hoặc các thiết bị đo lường trên vệ tinh. Ngoài ra, còn có những phương pháp phát hiện lỗ đen nhỏ khác.

“Việc tạo ra một lượng lỗ đen lớn là quá trình rất mạnh, sẽ phát ra tín hiệu lan rộng trong không gian thời gian xung quanh. Chúng sẽ để lại dấu ấn trên lịch sử vũ trụ, không thể không được”, giáo sư Kaiser cho biết.

“Thế hệ máy phát hiện yếu tố hấp dẫn mới có thể phát hiện những lỗ đen nhỏ này - chúng là một dạng đặc biệt của vật chất, là sản phẩm bất ngờ từ quá trình hình thành lỗ đen thông thường, và có thể giải thích khái niệm vật chất tối”.

Vật chất bất thấy, nhưng lại có nhiều hình thức khác nhau

Chuyện gì sẽ xảy ra với các dự án tìm kiếm vật chất tối khác?

“Ý tưởng về các hạt mới vẫn là giả thuyết thú vị”, giáo sư Kaiser nói. “Vẫn có nhiều thử nghiệm quy mô lớn khác, một số vẫn đang được xây dựng, chúng đang tìm cách khác để phát hiện sóng hấp dẫn. Chúng hoàn toàn có thể phát hiện ra các dấu hiệu kỳ lạ, vẫn tồn tại sau khi lỗ đen nguyên thủy hình thành”.

Còn một khả năng khác, rằng lỗ đen nguyên thủy chỉ là một phần của vật chất tối. “Không nhất thiết hai thứ phải là một”, bà Alonso-Monsalve nói. “Lượng vật chất tối gấp năm lần vật chất thông thường, và vật chất thông thường được tạo thành từ rất nhiều các loại hạt khác nhau. Vì sao vật chất tối lại chỉ bao gồm một thứ duy nhất?”

Nhờ phát hiện về sóng hấp dẫn, lỗ đen nguyên thủy một lần nữa thu hút sự chú ý của giới khoa học, tuy nhiên chúng ta vẫn chưa hiểu rõ về quá trình chúng hình thành. Theo các chuyên gia, nghiên cứu mới đã mở ra một giải thích khả thi cho vật chất tối, đồng thời đề xuất một cơ chế mới cho thấy cách lỗ đen thế hệ đầu tiên được hình thành.

“Tất cả hydrogen và helium mà chúng ta thấy trong vũ trụ ngày nay được tạo ra trong ba phút đầu [sau Đại Bang], và nếu những lỗ đen nguyên thủy vẫn còn tồn tại đến phút thứ ba này, chắc chắn chúng sẽ có ảnh hưởng đến vũ trụ và tạo ra những hiệu ứng được phát hiện”, nhà nghiên cứu Priyamvada Natarajan từ Đại học Yale cho biết.