Lỗ trắng trong vũ trụ

Lỗ trắng là thiên thể đối ngược của lỗ đen, nếu lỗ đen cuốn hút vật chất thì lỗ trắng bức xạ vật chất. Lỗ trắng cũng là lời giải của Thuyết tương đối rộng (General Relativity).

Nếu thấy một thiên thể phát ra những luồng vật chất thì đó là những lỗ trắng. Vật chất chỉ đi vào được lỗ trắng khi sở hữu một năng lượng khổng lồ. Theo Steven Weinberg, Robert Wald (Đại học Chicago) thì lỗ trắng không tồn tại. Song ngược lại theo những nhà vật lý khác thì lỗ trắng có thể tồn tại: lỗ trắng tồn tại và điều lý thú là lỗ trắng lại là giai đoạn cuối đời của lỗ đen.

Vật chất và năng lượng bị cuốn hút vào lỗ đen lại tái đột sinh và phát ra từ một lỗ trắng. Hiện tượng này xuất phát từ Lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng (Loop Quantum Gravity LQG) và trả lời được hai câu hỏi quan trọng:

1. Điều gì đã xảy ra trong lòng lỗ đen? Vật chất có tích lũy đến vô cùng trong lỗ đen được chăng?

2. Chung cuộc của một lỗ đen là gì?

Như ta biết lỗ đen có bức xạ Hawking (1970) làm cho lỗ đen trở thành nhỏ dần song sau đó là gì? Chưa ai biết được.

Thuyết tương đối rộng đã giải thích được về sự tồn tại của lỗ đen song chưa giải thích được hai câu hỏi trên. Lời giải Schwarzchild không nói cho chúng ta biết rõ điều gì sẽ xảy ra trong tâm lỗ đen và điều gì xảy ra tiếp theo trong tương lai xa. Theo Thuyết tương đối rộng thì mật độ vật chất sẽ tiến đến vô cùng và ta có một điểm kỳ dị. Đến đây thì thực tại dường như biến mất. Song kết luận này dường như không đúng vì tại đây chúng ta đã phải rời khỏi Thuyết tương đối rộng và cần đến những hệ quả của lượng tử của không thời gian hay nói cách khác cần đến Lý thuyết lượng tử của hấp dẫn.

Người ta cho rằng các hệ ứng của hấp dẫn lượng tử sẽ làm biến mất các đại lượng vô cùng, do vậy làm biến mất các điểm kỳ dị.

Hai lý thuyết thích hợp để nghiên cứu ở đây:

1. Lý thuyết dây

2. Lý thuyết lượng tử vòng, vốn xem không thời gian cũng phải tuân thủ các hiện tượng lượng tử. Những quan điểm lượng tử không những chỉ điều khiển các hạt mà còn điều khiển cả không thời gian2.

Tác giả Rovelli chọn LQG1.

Lý thuyết lượng tử vòng được phát triển từ năm 1980. Không thời gian sẽ gồm bằng những quanta (lượng tử). Và trong kích thước lớn, mạng quanta sẽ là một continium tiến triển theo Thuyết tương đối rộng. Chúng ta không thể bỏ qua cấu trúc gián đoạn của không thời gian. Vì thế các tiên đoán của Lý thuyết lượng tử vòng sẽ cho những kết quả khác Thuyết tương đối rộng cổ điển.

Không thời gian gián đoạn này sẽ dẫn đến một hệ quả: không tồn tại điểm kỳ dị – một thể tích vô cùng nhỏ với một mật độ vô cùng lớn. Năm 2014, tác giả Rovelli chứng minh rằng mật độ sẽ rất lớn song không là vô cùng – một đối tượng thiên thể gọi là “sao Planck” thay vì một điểm kỳ dị. Mật độ sao Planck là mật độ tối đa trong vật lý.

Và điều gì sẽ xảy ra nếu vật chất tiếp tục bị hút vào lỗ đen: vật chất chỉ có một con đường là nhảy bật khỏi đó. Lý thuyết lượng tử vòng cho phép không thời gian tạo nên hiện tượng nhảy bật đó và như vậy tạo nên một không thời gian mới thay đổi không thời gian của lỗ đen.

Cùng với Hal Haggard (Bard College, Mỹ), Rovelli đã chứng minh rằng trái ngược với những điều suy nghĩ trước đây, tồn tại khả năng một lỗ đen biến thành một lỗ trắng trong tương lai sau khi vượt qua một pha lượng tử1.

Một hiện tượng tương tự: xét một quả bóng rơi xuống đất và dội ngược lên, giai đoạn dội ngược lên sẽ là giai đoạn tương tự biến thành lỗ trắng.

Các nhà vật lý chứng minh rằng lỗ trắng tạo nên ở ngay vị trí của lỗ đen ban đầu. Có một thời điểm chân trời sự kiện, lỗ đen  biến thành chân trời sự kiện lỗ trắng.

Năm 1920, người ta đã biết đến hiện tượng đường hầm giải thích phóng xạ alpha. Trong hạt nhân nguyên tử, hạt alpha không thể vượt qua thế hạt nhân tạo nên từ tương tác mạnh và điện từ tác động vào hạt nhân. Song nhờ hiệu ứng đường hầm mà hạt alpha có thể lọt qua và bắn ra ngoài.

Tác giả Rovelli cùng cộng sự đã chứng minh được rằng là sự chuyển biến lỗ đen thành lỗ trắng là khả dĩ nhờ hiệu ứng đường hầm (xem hình 1) trong khuôn khổ của Lý thuyết lượng tử vòng. Đồng thời Abhay Ashtekar cùng đồng nghiệp cũng khẳng định, rằng sự biến đổi lỗ đen thành lỗ trắng cũng là hiện tượng khả dĩ.

Kết hợp với các phương trình phía ngoài vùng mà ở đấy lượng tử là quan trọng thì các tác giả thu được một mô tả đầy đủ của biến đổi lỗ đen thành lỗ trắng.            

Hình 1. Quá trình lỗ đen biến thành lỗ trắng.



Trên hình 1 ta có các công đoạn sau :

1. Cuối đời, sao bùng nổ thành siêu tân tinh và biến thành lỗ đen.

2. Không thời gian trở thành cong một cách mãnh liệt.

3. Tâm sao trở thành lỗ đen, lỗ đen bức xạ Hawking.

4. Vật chất tiếp tục co lại, ta sẽ có sao Planck.

5. Hiệu ứng đường hầm (tunnel effect) là một hiệu ứng lượng tử, không thời gian một lỗ đen qua hiệu ứng đường hầm sẽ biến thành không thời gian của một lỗ trắng.

6. Vật chất được phóng ra từ lỗ trắng, nếu lỗ đen có khối lượng lớn ta sẽ có một bùng nổ gamma hoặc một bức xạ radio nhanh (sursaut radio rapide).

7. Nếu lỗ trắng là nhỏ thì đây là một ứng viên của vật chất tối.

Chú ý rằng hiệu ứng đường hầm xảy ra rất chậm vì xác suất nhỏ, như vậy lỗ đen không biến thành lỗ trắng ngay tức khắc. Khi lỗ đen lớn thì quá trình đó càng chậm.

Sự biến đổi lỗ đen thành lỗ trắng chứa nhiều điều thú vị. Có thể kể vấn đề bảo toàn thông tin.

Kịch bản lỗ đen biến thành lỗ trắng dễ dàng giải quyết vấn đề thông tin rơi vào lỗ đen có bị mất mát chăng? Ta thấy rằng khi lỗ đen biến thành lỗ trắng thì mọi đối tượng (kể cả thông tin) rơi vào lỗ đen sẽ theo lỗ trắng mà thoát ra ngoài.

Đời sống của một lỗ đen phụ thuộc vào bức xạ Hawking và xác suất biến thành lỗ trắng.

Lỗ trắng ứng viên vật chất tối

Một khả năng thú vị xảy ra trong trường hợp lỗ trắng là tương đối ổn định. Các hệ quả lượng tử ngăn không cho lỗ trắng tiêu mất hoàn toàn khối lượng cho nên đời sống của chúng rất dài và các nhà vật lý nghĩ rằng chúng có thể là ứng viên của vật chất tối.

Trong phạm vi hệ Thái dương mật độ vật chất tối là 0,01 khối lượng mặt trời/parsec cube. Để thỏa mãn điều này chỉ cần một lỗ trắng/10.000 km3.

Hiện tượng dịch về phía đỏ

Một dấu hiệu để truy tìm lỗ trắng là hiệu ứng dịch về phía đỏ (redshift). Hai hiện tượng đóng góp vào đây là: sự dãn nở của vũ trụ, nếu ánh sáng ở càng xa – vũ trụ còn trẻ- thì ánh sáng càng có nhiều lệch đỏ và hiệu ứng chuyển dịch hấp dẫn (décalage gravitationnel), nếu sao  bức xạ có khối lượng càng lớn thì bức xạ đó càng lệch về phía đỏ. Và những lỗ đen đầu tiên trở thành lỗ trắng thì có khối lượng nhỏ hơn hơn các lỗ đen sau. Do đó độ lệch phía đỏ nhỏ hơn –> nhờ hiện tượng này người ta truy tìm lỗ trắng. Sự truy tìm lỗ trắng sẽ đi sâu vào hấp dẫn lượng tử, tìm hiểu các khía cạnh lượng tử của không thời gian. Quá trình lỗ đen biến thành lỗ trắng sẽ làm sáng tỏ nhiều khía cạnh vật lý lý thuyết và vũ trụ học.

Hiện nay chưa tìm được lỗ trắng nào. Hy vọng rằng thời gian tìm ra lỗ trắng sẽ ngắn hơn thời gian phát hiện lỗ đen.

Kết luận

Quá trình lỗ đen biến thành lỗ trắng là một quá trình chứa nhiều điểm quan trọng. Quá trình này kiểm định lại sự đúng đắn của Lý thuyết lượng tử vòng như thế khẳng định không thời gian phải được lượng tử hóa. Pha đường hầm trong quá trình đó cũng là một yếu tố bộc lộ các hệ quả của lượng tử. Việc truy tìm lỗ trắng trong thời gian tiếp là việc cần thiết để đi sâu vào hấp dẫn lượng tử vào vũ trụ học. □

——-

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 CARLO ROVELLI,professeur à l’université d’Aix-Marseille, chercheur

au Centre de physique théorique de Luminy,LA CHASSE AUX TROUS BLANCS

Pour la science số tháng 8/2019.

2 Cao Chi , Những vấn đề mới trong vật lý hiện đại, NXB Tri thức 2018.