Các lỗ đen nguyên thủy có thể là một kết quả phụ của vật chất tối

Với từng kilogram vật chất mà chúng ta có thể thấy – từ máy tính trên bàn làm việc đến các ngôi sao ở khoảng cách xa và các thiên hà – có 5 kilogram vật chất nhìn thấy tràn ngập xung quanh chúng ta. Thứ “vật chất tối” là một thực thể bí ẩn lẩn tránh tất cả những hình thức quan sát trực tiếp khiến cho người ta chỉ cảm nhận được sự hiện diện của nó không qua tác động của nó với các vật chất hữu hình.

Hình ảnh vũ trụ sơ khai do AI tạo nên.

Năm thập niên trước, nhà vật lý Stephen Hawking đã đề xuất một ý tưởng cho thứ mà vật chất tối có thể, đó là các lỗ đen được hình thành ngay sau Big Bang.

Rất nhiều lỗ đen “thuở sơ khai” có thể không phải là những gã khổng lồ như chúng ta dò được ngày hôm nay nhưng có các vi không gian vật chất siêu đậm đặc có thể được hình thành trong 10−18 giây sau Big Bang, sau đó suy sụp và tán xạ khắp vũ trụ, kéo không thời gian xung quanh theo nhiều cách. Nhờ vậy có thể giải thích ra sự tồn tại của vật chất tối mà chúng ta biết ngày nay.

Từ nhiều năm nay, các nhà vật lý từng đưa ý tưởng là vật chất tối có thể được hình thành một phần hay tất cả bằng những lỗ đen nguyên thủy. 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 1.

Trong bài viết trên Tia Sáng vào năm 2017, giáo sư Cao Chi từng nhận xét “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”.

Năm 2023, một nhóm nghiên cứu quốc tế của 9 quốc gia, do các nhà khoa học của trường ĐH Hawai’i, Imperial College London và STFC RAL Space dẫn dắt đã xuất bản công bố trên The Astrophysical JournalThe Astrophysical Journal Letters cho thấy các lỗ đen tăng thêm khối lượng theo cách phù hợp với việc chúng chứa năng lượng chân không, qua đó cung cấp một nguồn vật chất tối và loại bỏ sự cần thiết có những điểm kỳ dị ở tâm chúng.

Mới đây, các nhà vật lý MIT mới đề xuất ý tưởng: quá trình diễn ra trong thuở sơ khai của vũ trụ này cũng tạo ra một số vật chất bất ngờ đi cùng. Ngay cả những lỗ đen nhỏ hơn với số lượng chưa có tiền lệ của một tính chất vật lý hạt nhân mà người ta vẫn gọi là “màu tích” (color charge).

Các lỗ đen “siêu tích điện” nhỏ nhất có thể là một trạng thái hoàn toàn mới của vật chất, có lẽ là bốc hơi trong một phần của một giây sau khi chúng xuất hiện. Chúng có thể vẫn ảnh hưởng đến một chuyển đổi vũ trụ quan trọng: thời gian khi hạt nhân nguyên tử đầu tiên được “tôi rèn”.

Các nhà vật lý đã đề xuất là các lỗ đen màu tích có thể có ảnh hưởng đến sự cân bằng của các hạt nhân được gia nhiệt theo cách mà một ngày nào đó, các nhà thiên văn có thể dò được bằng các phép đo đạc trong tương lai. Một quan sát có thể điểm trúng một cách thuyết phục các lỗ đen sơ khai là khởi nguồn của mọi vật chất tối ngày nay.

“Dẫu người ta nghĩ các tạo vật kỳ lạ, có thời gian tồn tại ngắn đều không tồn tại cho đến ngày nay nhưng chúng có thể ảnh hưởng đến lịch sử vũ trụ theo nhiều cách mà vẫn có thể còn chứng tích mờ nhạt ngày nay”, David Kaiser, giáo sư lịch sử khoa học Germeshausen và giáo sư vật lý tại MIT, nói. “Cốt lõi của ý tưởng này là tất cả các vật chất tối có thể được quy cho các lỗ đen, điều này trao cho chúng ta những điểm mới để tìm kiếm”.

Kaiser và đồng tác giả, học viên cao học MIT Elba Alonso-Monsalve, đã xuất bản nghiên cứu của mình trên tạp chí Physical Review Letters 1.

Thời điểm trước các ngôi sao xuất hiện

Các lỗ đen mà chúng ta biết và dò thấy ngày nay đều là sản phẩm của sự suy sụp sao, nơi trung tâm của một ngôi sao cực lớn tự co sụp vào chính nó để hình thành một vùng siêu đậm đặc có thể bẻ cong không thời gian đến mức mọi thứ – ngay cả ánh sáng – cũng bị bẫy lại ở bên trong. Rất nhiều lỗ đen “vật lý thiên văn” có thể ở bất cứ mọi nơi với các mức khối lượng khác nhau, từ khối lượng tương đương khối lượng mặt trời đến mức lớn hơn hàng tỉ tỉ lần.

Các lỗ đen nguyên thủy, ngược lại, có thể nhỏ hơn nhiều và được cho là hình thành một khoảng thời gian trước các ngôi sao. Trước khi vũ trụ nấu nồi súp sơ khai các nguyên tố cơ bản, chưa có các ngôi sao, các nhà khoa học tin là các lá bài vật chất sơ khai siêu đậm đặc có thể được tích tụ và suy sụp thành các lỗ đen nhỏ, đậm đặc đến mức nén khối lượng của một tiểu hành tinh nhỏ lại như một nguyên tử. Lực hấp dẫn từ những vật thể bé nhỏ, không thể quan sát được này đã tán xạ khắp vũ trụ có thể giải thích cho chúng ta về vật chất tối mà chúng ta không thể quan sát được ngày nay.

Nếu trường hợp này là đúng thì các lỗ đen đó có thể được hình thành từ đâu? Đó là câu hỏi mà Kaiser và Alonso-Monsalve rút ra từ nghiên cứu của mình.

“Mọi người đã nghiên cứu về sự phân bố của các khối lượng lỗ đen trong suốt quá trình tạo ra vũ trụ sớm nhưng chưa bao giờ hiểu được những dạng vật chất có thể biến thành lỗ đen đó tại thời điểm khi chúng hình thành”, Kaiser giải thích.

Thanh Hương tổng hợp

Nguồn: https://news.mit.edu/2024/exotic-black-holes-could-be-dark-matter-byproduct-0606

https://www.imperial.ac.uk/news/243114/scientists-find-first-evidence-that-black

———————————————

1. https://tiasang.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/nhung-lo-den-nguyen-thuy-co-the-la-vat-chat-toi-10926/

2.https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.231402

Tác giả