Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Physical Review Letters chỉ ra rằng các nhà khoa học có thể sử dụng các thí nghiệm sóng hấp dẫn để kiểm tra sự tồn tại của các lỗ đen nguyên thủy - những "giếng hấp dẫn" được hình thành rất ngắn sau Big Bang mà theo nhiều nhà khoa học thì đó là thứ có thể giải thích cho sự tồn tại của vật chất tối.
Savvas Koushiappas - giáo sư vật lý ở đại học Brown, đồng tác giả của nghiên cứu cùng với Avi Loeb ở Đại học Harvard - cho biết: "Chúng tôi biết rõ rằng các lỗ đen có thể hình thành thành bởi sự sụp đổ của các sao lớn, hay như chúng ta đã thấy gần đây là cả trong sự sáp nhập của các sao neutron. Nhưng có giả thuyết cho rằng có các lỗ đen hình thành ở giai đoạn rất sớm của vũ trụ, trước cả sự hình thành của các sao. Đó chính là mục tiêu của chúng tôi trong nghiên cứu này."
Ý tưởng của các nhà khoa học cho rằng rất ngắn sau Big Bang, các thăng giáng lượng tử đã dẫn tới sự phân bố vật chất mà chúng ta thấy ngày nay trong vũ trụ đang giãn nở. Điều đó gợi ý rằng một số thăng giáng mật độ trong số đó có thể đủ lớn để tạo thành các lỗ đen.
Những lỗ đen nguyên thủy này đã được đề xuất từ đầu những năm 1970 bởi Stephen Hawking và các đồng nghiệp của ông. Tuy nhiên chúng chưa từng được phát hiện, và đến giờ vẫn chưa có gì rõ ràng về việc chúng có thực sự tồn tại hay không.
Khả năng quan sát sóng hấp dẫn, như đã được chứng minh gần đây bởi đài quan sát LIGO, đã mang lại tiềm năng về việc giải quyết rõ vấn đề này. Những thí nghiệm như vậy xác định được những gợn sóng trong cấu trúc của không-thời gian gây ra bởi những sự kiện lớn trong vũ trụ - chẳng hạn như sự va chạm của các lỗ đen. Tới nay LIGO đã xác định được một số vụ sáp nhập lỗ đen, và những thí nghiệm trong tương lai sẽ có thể giúp xác nhận thêm những sự kiện xảy ra trong quá khứ xa xôi hơn nữa.
"Ý tưởng rất đơn giản," Koushiappas nói. "Với những thí nghiệm sóng hấp dẫn trong tương lai, chúng tôi sẽ có thể nhìn ngược thời gian về trước khi có sự tạo thành những ngôi sao đầu tiên. Vì vậy nếu chúng tôi phát hiện ra những vụ sáp nhập lỗ đen trước khi các sao tồn tại, chúng tôi sẽ biết rằng các lỗ đen đó không có nguồn gốc từ các sao."
Các nhà vũ trụ học đo được một sự kiện đã xảy ra cách đây bao lâu dựa trên việc sử dụng dịch chuyển đỏ - sự kéo dài của bước sóng ánh sáng gây ra do sự giãn nở của vũ trụ. Sự kiện xảy ra ở càng xa trong quá khứ thì dịch chuyển đỏ càng mạnh.
Trong nghiên cứu này, Koushiappas và Loeb tính độ dịch chuyển đỏ tương ứng với những vụ sáp nhập lỗ đen ở đủ xa để chúng không thể có nguồn gốc từ các sao. Họ thấy rằng ở độ dịch 40, tương đương với thời gian khoảng 65 triệu năm sau Big Bang, những vụ sáp nhập có thể được phát hiện mỗi năm khoảng một lần, nếu như chúng có nguồn gốc từ các sao. Ở độ dịch lớn hơn 40, những sự kiện như vậy hoàn toàn biến mất.
"Đó thực sự là điểm chết," Koushiappas nói. "Trên thực tế, chúng tôi trông đợi những vụ sáp nhập dừng lại ở ngay trước điểm đó, nhưng độ dịch 40 thực sự là điểm giới hạn rõ ràng."
Nhiều thí nghiệm về sóng hấp dẫn sẽ được thực hiện ở độ dịch 40. Và nếu họ phát hiện được những vụ sáp nhập xa hơn thế, theo Koushiappas và Loeb thì điều đó chỉ có thể là một trong hai khả năng: Các lỗ đen nguyên thủy có tồn tại, hoặc vũ trụ sớm đã tiến hóa theo cách rất khác so với mô hình chuẩn của vũ trụ học. Và dù khả năng nào, đó sẽ là những khám phá rất quan trọng.
Các lỗ đen nguyên thủy được xếp vào nhóm các vật thể gọi là MACHO (massive astrophysical compact halo object) - chỉ chung những vật thể phát ra rất ít hoặc không phát ra bức xạ, di chuyển trong không gian liên sao độc lập với các hành tinh. Một số nhà khoa học đã đề xuất rằng các vật chất tối có thể được tạo thành từ các MACHO dưới dạng các lỗ đen nguyên thủy. Nếu các lỗ đen nguyên thủy được phát hiện thì ý tưởng này sẽ được củng cố, còn nếu không thì nó sẽ cần được xem lại.
Cách giải thích khả dĩ duy nhất còn lại cho sự sáp nhập của các lỗ đen ở độ dịch chuyển đỏ trên 40 là vũ trụ của chúng ta là "phi Gauss". Trong mô hình chuẩn của vũ trụ học, sự thăng giáng của vật chất trong vũ trụ sớm được mô tả bởi phân bố xác suất Gauss. Việc xác định được một vụ sáp nhập đồng nghĩa với việc thăng giáng và phân bố vật chất khác với mô tả của phân bố Gauss.
"Bằng chứng về sự phi Gauss sẽ đòi hỏi vật lý phải giải thích được nguồn gốc của những thăng giáng này, đó sẽ là một vấn đề lớn," Loeb nói.
Tốc độ phát hiện các sáp nhập ở độ dịch trên 40 - nếu thực sự phát hiện được - sẽ cho thấy dấu hiệu của lỗ đen nguyên thủy, hoặc bằng chứng về phi Gauss. Ngược lại, nếu không thể phát hiện, nó sẽ mang tới thách thức lớn cho những ý tưởng này.
Bryan
Theo Space Daily
