Hãy coi chừng những lỗ đen nguyên thủy! Vũ trụ có thể chứa đầy những lỗ đen cổ xưa nhỏ bé. Và các nhà nghiên cứu có thể chứng minh được điều đó.
Những lỗ đen nhỏ này có từ khởi điểm của vũ trụ, được gọi là các lỗ đen nguyên thủy (PBH). Những ý tưởng đầu tiên về chúng đã xuất hiện cách đây nhiều thập kỷ, đó là khi các nhà nghiên cứu đề xuất chúng như một lời giải thích cho vật chất tối, thứ vật chất không nhìn thấy được nhưng lại tạo ra lực hấp dẫn ở khắp mọi nơi trong không gian. Hầu hết các lời giải thích cho vật chất tối đều liên quan đến các hạt giả định có những tính chất đặc biệt khiến chúng không được phát hiện. Tuy nhiên một số nhà nghiên cứu cho rằng những nhóm lỗ đen nhỏ di chuyển như những đám mây trong không gian sẽ mang lại một lời giải thích rõ ràng hơn cho vấn đề vật chất tối. Giờ đây, một nghiên cứu mới giải thích rằng những PBH này đến từ đâu và làm thế nào mà các nhà thiên văn học có thể phát hiện được dư chấn tạo thành khi chúng ra đời.
Các lỗ đen nhỏ đến từ đâu?
Lỗ đen là một điểm kỳ dị, một điểm đậm đặc tới vô hạn, chứa đầy vật chất. Nó hình thành khi vật chất bị nén chặt đến mức lực hấp dẫn lấn át mọi thứ khác khiến cho vật chất bị sụp đổ. Nó bẻ cong không-thời gian và bao quanh chính nó bằng một "chân trời sự kiện", một vùng ranh giới hình cầu mà tại đó không có ánh sáng nào có thể thoát ra ngoài.
Các nguyên lý của thuyết tương đối rộng cho phép các lỗ đen tồn tại ở bất cứ quy mô nào. Ví dụ, nếu bạn có thể nghiền nát một con kiến đủ mạnh thì nó cũng sẽ sụp đổ thành một lỗ đen giống như một ngôi sao, nhưng nó sẽ cực kỳ nhỏ. Hầu hết các lý thuyết PBH đều cho rằng những vật thể này có khối lượng bằng các hành tinh nhỏ và có chân trời sự kiện chỉ nhỏ như một quả nho. Joey Neilsen, một nhà vật lý tại Đại học Villanova (nhưng không phải người không tham gia vào nghiên cứu mới) cho biết đây là một ý tưởng kỳ lạ, và vẫn còn ở nằm ngoài phạm vi của vật lý vật chất tối và lỗ đen. Tuy nhiên gần đây, khi các lý thuyết vật chất tối khác trở nên bế tắc, một số nhà nghiên cứu đã đưa ra một cách nhìn thứ hai về khái niệm PBH.
Nếu có tồn tại các PBH ở ngoài kia thì chúng phải rất lâu đời. Trong vũ trụ học hiện đại, chỉ có hai cách được biết đến để tạo ra lỗ đen mới từ vật chất thông thường là sự va chạm hoặc phát nổ (vào cuối đời) của những ngôi sao nặng hơn nhiều lần so với Mặt Trời. Vì lý do đó, mỗi lỗ đen được biết đến đều nặng hơn toàn bộ Hệ Mặt Trời (đôi khi còn nặng hơn nhiều lần).
Tạo ra các lỗ đen nhỏ lại đòi hỏi một hệ cơ chế và thành phần hoàn toàn khác.
Neilsen nói với Live Science rằng: “Những thành phần đó sẽ là những thứ thuộc về Big Bang, thứ đã tạo nên các ngôi sao và các thiên hà”.
Ngay sau vụ nổ Big Bang, vũ trụ chứa đầy vật chất nóng, đặc, hỗn độn đang mở rộng theo mọi hướng. Có những vùng hỗn loạn nhỏ trong mớ hỗn độn này mà hiện nay vẫn có thể nhìn thấy được dưới dạng dao động trong Nền vi sóng vũ trụ (CMB), ánh sáng rực rỡ của Big Bang và những dao động đó đã tạo nên cấu trúc của vũ trụ.
“Nếu nó đặc hơn một chút ở điểm A, thì mọi thứ sẽ bị hút bởi lực hấp dẫn đến điểm A. Và trong lịch sử của vũ trụ, lực hút đó làm cho khí và bụi rơi vào nhau, kết hợp lại, nén chặt và hình thành nên các ngôi sao, thiên hà và tất cả các cấu trúc trong vũ trụ mà chúng ta biết", Neilsen nói.
Hầu hết các lý thuyết về PBH liên quan đến những dao động rất dữ dội trong vũ trụ sơ khai, mạnh hơn nhiều những biến động đã hình thành nên các thiên hà. Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học đặt những biến động dữ dội đó trong một thời kỳ được gọi là "lạm phát". Trong khoảng thời gian một phần nghìn tỷ tỷ tỷ giây đầu tiên sau Big Bang, vũ trụ đã giãn nở nhanh theo cấp số nhân. Các nhà nghiên cứu tin rằng sự mở rộng ban đầu nhanh chóng đó đã tạo ra hình dạng "phẳng" hiện tại của không - thời gian và nó có khả năng ngăn không gian bị cong.
Trong một nghiên cứu mới khác được đăng vào ngày 20 tháng 11 trên cơ sở dữ liệu của arXiv, các nhà nghiên cứu đề xuất rằng trong thời kỳ lạm phát, có thể đã có những khoảnh khắc mà tất cả không – thời gian bị cong một cách mạnh mẽ, trước khi cuối cùng trở nên phẳng. Tuy nhiên, những đường cong ngắn đó sẽ tạo ra những dao động trong vũ trụ đang giãn nở đủ mạnh để cuối cùng hình thành một quần thể lớn các lỗ đen khối lượng cỡ Trái Đất.
Làm thế nào để tìm ra các lỗ đen nhỏ
Các nhà nghiên cứu đã viết: Cách dễ nhất để chứng minh lý thuyết này đúng là tìm kiếm "sóng hấp dẫn thứ cấp" (SGW) vang vọng khắp không gian vũ trụ. Những sóng này yếu hơn nhiều so với sóng hấp dẫn được tạo ra bởi các vụ va chạm lỗ đen và sẽ phát ra từ cùng những nhiễu động đã hình thành nên PBH. Chúng sẽ là những rung động tinh vi trong vũ trụ mà các máy dò hiện tại chưa thể phát hiện được. Nhưng có hai phương pháp trong tương lai sẽ có thể tìm thấy chúng.
Một trong hai phương pháp đó là các nhóm pulsar khớp giờ. Không gian vũ trụ chứa đầy những sao neutron quay rất nhanh được gọi là pulsar, chúng gửi các xung năng lượng về phía Trái Đất khi chúng quay. Pulsar giống như những chiếc đồng hồ chính xác trên bầu trời mà chúng ta có thể dự đoán chính xác chu kỳ của chúng, nhưng tín hiệu của chúng có thể bị biến dạng bởi sóng hấp dẫn. Khi một sóng hấp dẫn thứ cấp đi qua giữa Trái Đất và một pulsar, nó sẽ làm cong không - thời gian, khiến cho tín hiệu của pulsar đến sớm hoặc muộn hơn một chút so với bình thường.
Tuy nhiên, phương pháp này có một vấn đề là: nhóm pulsar khớp giờ dựa vào việc phát hiện chính xác tín hiệu của các pulsar phát ra sóng vô tuyến. Và mới đây, một trong những thiết bị dò sóng vô tuyến quan trọng nhất thế giới là kính thiên văn Arecibo khổng lồ ở Puerto Rico, về cơ bản đã bị phá hủy. Các tác giả nghiên cứu viết rằng, ngay cả khi một thí nghiệm nhóm pulsar khớp giờ chất lượng cao không thành công trong vòng 15 năm tới, thế hệ máy dò sóng hấp dẫn tiếp theo phải đủ nhạy để thu được các sóng hấp dẫn thứ cấp này.
Hiện tại, các thiết bị dò sóng hấp dẫn được chôn dưới lòng đất, tìm kiếm những dao động trong không - thời gian bằng cách đo những thay đổi của thời gian ánh sáng di chuyển trên những khoảng cách xa. Nhưng các tác động khác như động đất nhẹ, sóng đập vào bờ biển ngoài xa hay thậm chí những con thỏ đang nhảy nhót ở mặt đất phía trên đều có thể làm tín hiệu bị nhiễu. Bởi vậy, trong tương lai vào năm 2034, một máy dò sóng hấp dẫn không gian nhạy hơn rất nhiều để tránh được những nhiễu sóng đó có tên là Ăng-ten Không gian Giao thoa kế Laser (LISA), sẽ được Cơ quan Không gian Châu Âu (ESA) lên kế hoạch khởi động, và nó sẽ có khả năng thu nhận được các sóng hấp dẫn thứ cấp.
Các nhà nghiên cứu cho biết, một phát hiện như vậy sẽ chứng minh rằng PBH chiếm phần lớn (nếu không phải là tất cả) vật chất tối trong vũ trụ.
Minh Phương
Theo Live Science
