Những lỗ đen nguyên thủy có thể là vật chất tối
Trong thời gian gần đây, các nhà vật lý đưa ra ý tưởng là vật chất tối có thể được hình thành một phần hay tất cả bằng những lỗ đen nguyên thủy (primordial black holes). Và các sóng hấp dẫn đã được đài quan sát LIGO ghi nhận lại là kết quả kết hợp của những lỗ đen nguyên thủy đó. Thêm vào đó các nhà vật lý lại đưa ra ý tưởng rằng những hạt axion chuyển động quanh lỗ đen cũng tạo nên các sóng hấp dẫn khác.
Lỗ đen nguyên thủy và sóng hấp dẫn
Như chúng ta biết năm 2015, đài quan sát LIGO đã phát hiện sóng hấp dẫn (gravitational waves) – tín hiệu GW 150914 (14/09/2015) từ sự kết hợp của hai lỗ đen.
Sau đó, người ta còn tìm được hai sóng hấp dẫn khác: GW151226 (ngày 26/12/2015) và GW170104 (ngày 4/1/2017) (xem hình 1). Các hiện tượng đó đều sinh ra từ sự kết hợp của các lỗ đen có khối lượng bằng khoảng từ 10 đến 30 lần khối lượng mặt trời.
Hình 1. Ba tín hiệu sóng hấp dẫn đã ghi nhận được bởi LIGO.
Lỗ đen là kết quả co lại (collapse) của các sao vì lực hấp dẫn. Song các lỗ đen trong LIGO có khối lượng lớn hơn các lỗ đen do các sao co lại cho nên các nhà vật lý nghĩ rằng các tín hiệu thu được ở trên là do sự kết hợp của những lỗ đen nguyên thủy.
Các nhà vật lý lý thuyết cho rằng những lỗ đen nguyên thủy có thể hình thành trước các sao trong quá trình co lại của những điểm có mật độ vật chất cao của vũ trụ nguyên thủy ngay sau vụ nổ Big Bang.
Các lỗ đen đó được gọi là lỗ đen nguyên thủy, nó có những tính chất tương tự như những lỗ đen ghi nhận được bởi LIGO.
Những lỗ đen nguyên thủy hình thành từ sự co hấp dẫn của những thăng giáng mật độ cao trong vũ trụ ở thời đoạn nhỏ hơn một giây.
Sự hình thành các lỗ đen nguyên thủy được Zeldovich và Novikov đưa ra vào năm 1966.
Một mô hình thông dụng là cho vật chất tối (dark matter) được cấu thành bởi các hạt có khối lượng tương tác yếu (weakly interacting massive particles). Song các hạt có khối lượng tương tác yếu vẫn chưa tìm thấy được, các nhà vật lý đưa ra giả thuyết vật chất tối được cấu thành (một phần hoặc tất cả) bởi các lỗ đen nguyên thủy trong quá trình lạm phát vũ trụ.
Vật chất tối có thể gồm bằng (một phần hay tất cả) các lỗ đen nguyên thủy. Tương tự như các hạt có khối lượng tương tác yếu, các lỗ đen nguyên thủy không va chạm với các đối tượng khác nên quả là những ứng viên hoàn hảo của vật chất tối.
Lạm phát gây nên bởi trường inflaton (lạm phát). Các nhà vật lý đưa ra mô hình các lỗ đen nguyên thủy có khối lượng (bằng vài chục lần khối lượng mặt trời) có thể gây nên bởi lạm phát lai – hybrid inflation (tức lạm phát với trường inflaton có thế năng điều khiển bởi hai hàm Ψ và Ф) (xem hình 2).
Hình 2. Thế năng trường inflaton trong lạm phát lai.
Những lỗ đen nguyên thủy có thể kết hợp với nhau + hiện tượng bồi đắp khí (accreation gas) để trở thành những lỗ đen với khối lượng trung bình (intermediate mass black holes) tại những tâm các cụm hình cầu nguồn gốc của các tia X siêu sáng (ultra-luminous X-ray sources) và những lỗ đen siêu khối lượng (super-massive black holes) tại tâm các thiên hà (xem hình 3).
Hình 3. Mô hình hình thành lỗ đen nguyên thủy, lỗ đen khối lượng trung bình và Lỗ đen siêu khối lượng.
Axion, lỗ đen và sóng hấp dẫn
Axion là một hạt giả định trong lý thuyết Peccei-Quinn năm 1977 để giải thích hiện tượng phá vỡ đối xứng CP – đối xứng giữa vật chất và phản vật chất – trong Sắc động học lượng tử (Quantum chromodynamics).
Đây là một hạt pseudoscalar, không điện tích và có khối lượng rất nhỏ từ 10-5 đến 10-3eV/c2 có tương tác hấp dẫn và điện từ. Nếu axion tồn tại thì thì đây cũng là một ứng viên cho vật chất tối.
Nếu axion chuyển động quanh một lỗ đen thì chúng ta sẽ có một hệ được gọi là “nguyên tử hấp dẫn – gravitational atom”, lấy tương tự với nguyên tử trong cơ học lượng tử.
Axion chuyển động quanh lỗ đen quay thu và mất năng lượng như các electron trong nguyên tử. Song electron tương tác qua điện từ và phát ra sóng điện từ còn axion tương tác qua hấp dẫn vậy hệ bức xạ sóng hấp dẫn.
Sự chuyển dời của axion giữa các mức của “nguyên tử hấp dẫn” và quá trình hủy của axion thành graviton sẽ tạo nên sóng hấp dẫn, đó là những tín hiệu đơn sắc có thể phân biệt được với những tín hiệu thiên văn vật lý khác.
Điều lý thú là chúng ta có thể ghi nhận được một loại sóng hấp dẫn từ sự chuyển động của axion quanh lỗ đen quay (superradiance) giống như chúng ta ghi nhận các vạch phổ từ electron chuyển động trong nguyên tử.
Các đài quan sát LIGO, VIRGO đã thu được sóng hấp dẫn với các hoàn thiện mới có thể thu được các sóng hấp dẫn từ chuyển động của axion.
Kết luận
Vấn đề vật chất tối là một vấn đề lớn của vật lý hiện đại. Người ta đang truy tìm bản chất của vật chất tối song đến nay vẫn chưa có một kết luận chắc chắn.
Vật chất tối gồm bằng những hạt có khối lượng tương tác yếu? hay axion? hay những hạt nào khác? Có thể đó là một chất siêu chảy?
Đến nay, các nhà vật lý nghĩ vật chất tối chính là những lỗ đen nguyên thủy.
Dường như vấn đề vật chất tối vẫn còn đang bỏ ngỏ.
———-
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1] Juan Garcia-Bellido & Sebastien Clesse, A hidden population of black holes born less than one second after the Big Bang could solve the mystery of dark matter, Scientific American, tháng 7/2017 (xin cám ơn GS Đàm Thanh Sơn đã mách bảo tài liệu này).
[2] KASHLINSKI
arXiv:1605.04023v1 [astro-ph.CO] 13 May 2016.
[3] REDDY
https://phys.org/news/2016-05-scientist-link-primordial-black-holes.html
[4] Ryan F. Mandelbaum, Mind-Blowing New Theory Connects Black Holes, Dark Matter, and Gravitational Waves
http://gizmodo.com/mind-blowing-new-theory-connects-black-holes-dark-matt-1793710627.
[5] Asimina Arvanitaki, Masha Baryakhtar and Xinlu Huang,
Discovering the QCD Axion with Black Holes and Gravitational Waves
arXiv:1411.2263v3 [hep-ph] 23 Mar 2015.
