Dựa trên học thuyết của Stephen Hawking, giới khoa học tìm được lỗ đen mới, có thể giải thích được vật chất tối

Trong suốt 50 năm nay, bên trong cộng đồng khoa học vẫn tồn tại một vấn đề hóc búa chưa có lời giải đáp: lượng vật chất nhìn thấy được trong vũ trụ chưa đủ.

Những thứ “vật chất nhìn thấy được” ở đây bao gồm sao, hành tinh, bụi vũ trụ và tất cả những thiên thể lớn nhỏ khác. Tương tác giữa chúng và tương tác của chúng với môi trường chưa đủ để giải thích được cách vũ trụ vận hành. Theo NASA, lượng vật chất phải nhiều gấp khoảng 5 lần nữa để các quan sát có nghĩa. 

Phần còn thiếu đang được giới khoa học gọi là vật chất tối, bởi lẽ nó vô hình và không tương tác với ánh sáng.

Thập niên 70, hai nhà thiên văn học người Mỹ là Vera Rubin và W. Kent Ford khẳng định sự tồn tại của vật chất tối khi quan sát rìa của một loạt những thiên hà xoắn ốc. Họ thấy rằng những ngôi sao nơi đây đang di chuyển với tốc độ quá nhanh, đến mức đáng lẽ chúng đã bị xé toạc thành từng mảnh; lực hấp dẫn và vật chất có trong khu vực không thể giữ cho những ngôi sao này nguyên vẹn.

Thế nhưng, những ngôi sao vẫn tỏa sáng bình thường. Điều đó cho thấy trong không gian tồn tại một loại vật chất vô hình, giữ cho thiên hà này liên kết được với nhau.

“Những gì quan sát được tại một thiên hà xoắn ốc không phải những gì chúng ta có thể luận ra được”, nhà thiên văn học Vera Rubin nói vào thời điểm bấy giờ. Bà đã xây dựng công trình nghiên cứu dựng dựa trên giả thuyết được đề xuất trong thập niên 30 của nhà thiên văn học Thụy Sĩ Fritz Zwicky, và đồng thời khởi động một cuộc tìm kiếm vật chất bí ẩn trong giới khoa học.

Từ đó tới nay, các nhà nghiên cứu nỗ lực tìm cách quan sát vật chất tối, thậm chí thiết kế nên những cỗ máy khổng lồ nhằm phát hiện ra thứ vật chất khó tìm. Thế nhưng vẫn vô hiệu.

Trong những buổi đầu kiếm tìm vật chất tối, nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking cho rằng vật chất tối có thể ẩn mình trong những lỗ đen hình thành trong giai đoạn Big Bang. Ông đã dành cả sự nghiệp để nghiên cứu lỗ đen và đưa ra nhiều học thuyết có ảnh hưởng lớn tới nền vật lý, duy chỉ có vật chất tối vẫn lảng tránh bộ óc tinh tường của Hawking.

Nhưng trong một nghiên cứu mới được thực hiện bởi Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), các nhà khoa học đã phân tích thuyết cũ bằng góc nhìn hiện đại, cho thấy thành phần cấu tạo những lỗ đen nguyên thủy, đồng thời cho thấy khả năng tồn tại một loại lỗ đen hoàn toàn mới.

“Chúng tôi tận dụng những tính toán trứ danh của Stephen Hawking về lỗ đen, nhất là những kết quả của ông về bức xạ tỏa ra từ chúng”, David Kaiser, một trong các tác giả nghiên cứu, nói. “Những lỗ đen lộ diện khi [chúng tôi] cố gắng giải bài toán vật chất tối - chúng là phụ phẩm của việc giải thích sự tồn tại của vật chất tối”.

Một phần tỷ tỷ của giây đầu tiên

Từ khi khái niệm “vật chất tối” thành hình, giới khoa học đã đặt ra nhiều giả thuyết về bản chất của nó, từ hạt chưa được biết đến cho tới một chiều không gian khác. Nhưng phải đến giai đoạn gần đây, học thuyết về lỗ đen của Stephen Hawking mới được đưa ra bàn luận.

“Người ta không để thực sự để tâm tới nó cho tới khoảng 10 năm trước”, đồng tác giả nghiên cứu, Elba Alonso-Monsalve cho hay. “Đó là vì lỗ đen vốn trốn rất kỹ - trong buổi đầu thế kỷ 20, người ta ngỡ nó là một sự thực thú vị về toán học, chứ không phải một thực thể vật lý”.

Giờ đây, chúng ta biết trung tâm của hầu hết các thiên hà đều chứa một lỗ đen, các thiết bị tiên tiến còn phát hiện ra cả sóng hấp dẫn sinh ra từ vụ va chạm của các lỗ đen. Những bằng chứng này cho thấy lỗ đen có thực, có rất nhiều ở vũ trụ ngoài kia.

“Thực tế, vũ trụ đầy ắp lỗ đen”, Alonso-Monsalve nói. “Nhưng hạt vật chất tối thì vẫn chưa thấy đâu, ngay cả khi người ta tìm những chỗ đáng lẽ phải có. Tôi nói điều này không phải để bác bỏ việc vật chất tối là hạt, hay chắc chắn vật chất tối có trong lỗ đen. Có thể cả hai đều đúng. Nhưng giờ, thì khả năng lỗ đen là vật chất tối đang được cân nhắc là khả thi”.

Trong một nghiên cứu khác mới được đăng tải gần đây, kết quả cho thấy giả thuyết của Hawking có vẻ hợp lý. Tuy vậy, công trình nghiên cứu của Alonso-Monsalve và giáo sư David Kaiser tiến một bước xa hơn, nghiên cứu của họ tìm hiểu chính xác chuyện gì xảy ra khi lỗ đen nguyên thủy hình thành.

Nghiên cứu được xuất bản đầu tháng 6 vừa qua trên Physical Review Letters, kết quả cho thấy lỗ đen nguyên thủy chắc hẳn đã hình thành ở 1/1.000.000.000.000.000.000 giây (một phần một tỷ tỷ giây) đầu tiên của sự kiện Big Bang. “Chúng hình thành từ rất, rất sớm, trước cả thời điểm mà proton và neutron, những hạt cấu thành nên vạn vật, hình thành”, nhà nghiên cứu Alonso-Monsalve nói.

Trong thế giới thường nhật, chúng ta không thể thấy proton và neutron tồn tại độc lập. Bên cạnh đó, chúng được tạo thành từ những hạt còn nhỏ hơn nữa là hạt quark, được liên kết với nhau bằng các hạt có tên gluon.

“Bạn không thể tìm được quark và gluon tồn tại riêng biệt, bởi lẽ vũ trụ ngoài kia lạnh lắm”, Alonso-Monsalve nói. “Tuy nhiên trong thời điểm Big Bang mới xuất hiện, lúc ấy vũ trụ rất nóng, những hạt này có thể tồn tại tự do. Vậy nên, lỗ đen nguyên thủy hình thành nhờ hấp thụ những hạt quark và gluon lơ lửng trong không gian”.

Với nguồn gốc như vậy, bản chất của chúng khác biệt hoàn toàn với những lỗ đen thường thấy, là kết quả của một ngôi sao bị sập xuống bởi chính khối lượng của mình. Chưa hết, một lỗ đen nguyên thủy có kích cỡ nhỏ, khối lượng trung bình có lẽ chỉ bằng một thiên thạch, với thể tích chỉ bằng một nguyên tử.

Nếu những lỗ đen nguyên thủy này không tiêu biến theo thời gian và tồn tại tới ngày nay, chúng có thể lý giải cho phần lớn vật chất tối.

Dấu vết còn sót lại đến nay

Theo kết quả nghiên cứu, trong quá trình hình thành lỗ đen nguyên thủy, một loạt lỗ đen khoa học chưa biết tới khác cũng hình thành; các nhà khoa học cho rằng chúng là phụ phẩm của quá trình hình thành lỗ đen nguyên thủy. Những thực thể này sẽ có khối lượng tương đương một con tê giác, với thể tích chỉ còn bé bằng một proton.

Nhờ kích cỡ bé nhỏ, những lỗ đen hiển vi này có thể hấp thụ được những đặc tính hiếm có từ hỗn hợp quark-gluon - nơi khởi sinh ra chúng. Đặc tính này có biệt danh “tích điện màu - color charge”, là một trạng thái điện tích chỉ có trên quark và gluon, chưa bao giờ thấy tồn tại trên vật thể thông thường.

Điện tích màu khiến những lỗ đen dạng này độc đáo, vốn thường không mang bất cứ loại tích điện nào. “Chắc chắn những lỗ đen nhỏ xíu này cũng đã hình thành dưới dạng phụ phẩm [của quá trình hình thành lỗ đen nguyên thủy], tuy nhiên ngày nay chúng sẽ không còn tồn tại nữa, vì đã bốc hơi từ lâu rồi”, bà Alonso-Monsalve cho hay.

Nếu những lỗ đen này tồn tại song song với proton và neutron khi chúng hình thành, chắc hẳn sự bất cân đối giữa hai loại hạt vừa nêu là bằng chứng cho thấy chúng tồn tại.

“Sự cân bằng giữa số lượng proton và neutron rất mỏng manh, và tồn tại dựa trên nhưng thực thể hiện đang có trong vũ trụ lúc bấy giờ. Nếu những lỗ đen chứa tích điện màu vẫn có mặt lúc ấy, chúng sẽ làm lệch sự cân bằng giữa proton và neutron, một hạt sẽ nhiều hơn hạt còn lại, [sự chênh lệch] sẽ đủ lớn để trong vòng vài năm tới, chúng tôi có thể tiến hành đo đạc”, bà Alonso-Monsalve nói thêm.

Việc đo đạc có thể được thực hiện bằng những kính thiên văn đặt ngay trên Trái Đất hay những thiết bị đo lường nằm trên vệ tinh. Bên cạnh đó, vẫn sẽ còn những cách phát hiện lỗ đen tí hon khác.

“Việc tạo ra một lượng lỗ đen lớn là quá trình rất mạnh, sẽ tạo ra tín hiệu lan ra khắp vùng không-thời gian xung quanh. Chúng sẽ để lại dấu vết trên trang sử vũ trụ, không thể không có được”, giáo sư Kaiser cho hay.

“Thế hệ máy phát hiện thành tố hấp dẫn mới có thể phát hiện ra những lỗ đen mang khối lượng nhỏ này - chúng là một dạng đặc biệt của vật chất, là phụ phẩm bất ngờ của quá trình hình thành những lỗ đen thường, và có thể giải thích được khái niệm vật chất tối”.

Thứ vật chất vô hình, nhưng lại nhiều dạng

Chuyện gì sẽ xảy ra với những dự án tìm kiếm vật chất tối khác?

“Ý tưởng về những loại hạt mới lạ vẫn còn là giả thuyết thú vị”, giáo sư Kaiser cho hay. “Vẫn còn những thử nghiệm khác với quy mô lớn, một số vẫn đang được xây dựng, chúng tìm kiếm những phương pháp khác nhằm phát hiện ra sóng hấp dẫn. Chúng hoàn toàn có thể phát hiện ra những dấu hiệu lạ, vẫn tồn tại sau quá trình lỗ đen nguyên thủy hình thành”.

Cũng còn một khả năng khác, rằng lỗ đen nguyên thủy chỉ là một phần của vật chất tối. “Không nhất thiết hai thứ phải là một”, bà Alonso-Monsalve nói. “Lượng vật chất tối gấp 5 lần vật chất thường, và vật chất thường được cấu thành từ rất nhiều các loại hạt khác nhau. Thế cớ gì mà vật chất tối cũng chỉ được bao gồm một thứ duy nhất?”

Nhờ phát hiện về sóng hấp dẫn, lỗ đen nguyên thủy một lần nữa thu hút sự chú ý của giới khoa học, tuy nhiên chúng ta vẫn chưa hiểu rõ về quá trình chúng hình thành. Theo lời giới chuyên gia, nghiên cứu mới đã mở ra một lời giải thích khả thi cho vật chất tối, đồng thời đề xuất một cơ chế mới cho thấy cách lỗ đen thế hệ đầu tiên chào đời.

“Tất cả hydrogen và helium chúng ta thấy trong vũ trụ ngày nay được tạo ra trong ba phút đầu [hậu Big Bang], và nếu những lỗ đen nguyên thủy vẫn còn tồn tại tới phút thứ ba này, chắc chắn chúng sẽ gây ra ảnh hưởng lên vũ trụ, và tạo ra những hiệu ứng phát hiện được”, nhà nghiên cứu Priyamvada Natarajan tới từ Đại học Yale, người không tham gia nghiên cứu mới, cho hay.