Cuộc săn lùng các lỗ đen nhỏ bị mất tích do Vụ nổ lớn để lại có thể sắp tăng cường.
Ngay khi quỹ đạo của những lỗ đen nhỏ bé như vậy dường như đã nguội, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã tìm thấy bằng chứng trong vật lý lượng tử có thể mở lại vụ án. Một lý do khiến việc tìm kiếm cái gọi là lỗ đen nguyên thủy trở nên cấp bách là vì chúng được đề xuất là ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối.
Vật chất tối chiếm 85% khối lượng của vũ trụ, nhưng nó không tương tác với ánh sáng như vật chất thông thường. Đây là chất liệu của các nguyên tử tạo nên các ngôi sao, hành tinh, mặt trăng và cơ thể chúng ta. Tuy nhiên, vật chất tối tương tác với lực hấp dẫn và hiệu ứng này có thể xảy ra sự va chạm “Vật chất thông thường” và ánh sáng. Hoàn hảo cho công việc thám tử vũ trụ.
Nếu các lỗ đen từ Vụ nổ lớn tồn tại, chúng sẽ rất nhỏ – một số nhỏ bằng đồng xu – và do đó có khối lượng bằng khối lượng của các tiểu hành tinh hoặc hành tinh. Tuy nhiên, giống như các đối tác lớn hơn của chúng, các lỗ đen có khối lượng sao, có thể gấp 10 đến 100 lần khối lượng Mặt trời, các lỗ đen siêu lớn, có thể gấp hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ lần khối lượng Mặt trời và các lỗ đen mini. của mặt trời . Bình minh của thời gian sẽ được bao quanh bởi một bề mặt bẫy ánh sáng gọi là chân trời sự kiện. Chân trời sự kiện ngăn chặn các lỗ đen phát ra hoặc phản xạ ánh sáng, khiến các lỗ đen nguyên thủy nhỏ trở thành ứng cử viên nặng ký cho vật chất tối. Chúng có thể đủ nhỏ để không ai chú ý, nhưng đủ mạnh để tác động đến không gian.
Có liên quan: Các lỗ đen nhỏ do Big Bang để lại có thể là nghi phạm chính của vật chất tối
Nhóm các nhà khoa học – từ Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ Sơ khai (RESCEU) và Viện Vật lý và Toán học Vũ trụ Kavli (Kavli IPMU, WPI) tại Đại học Tokyo – đã áp dụng khung lý thuyết kết hợp lý thuyết trường cổ điển và Lý thuyết riêng của Einstein. Thuyết tương đối và cơ học lượng tử đối với vũ trụ sơ khai. Lý thuyết sau giải thích hành vi của các hạt như electron và quark và dẫn đến cái gọi là lý thuyết trường lượng tử (QFT).
Việc áp dụng QFT cho vũ trụ non trẻ khiến nhóm nghiên cứu tin rằng có ít lỗ đen nguyên thủy giả định trong vũ trụ hơn nhiều so với nhiều mô hình hiện nay ước tính. Nếu đúng như vậy thì nó sẽ loại trừ hoàn toàn sự tồn tại của các lỗ đen nguyên thủy dưới dạng vật chất tối.
Jason Christiano, một nghiên cứu sinh tại Đại học Tokyo, cho biết: “Chúng tôi gọi chúng là lỗ đen nguyên thủy và nhiều nhà nghiên cứu cảm thấy chúng là ứng cử viên sáng giá cho vật chất tối, nhưng sẽ phải có rất nhiều lỗ đen nguyên thủy mới đáp ứng được lý thuyết này”. Ông nói trong một tuyên bố. “Thật thú vị vì những lý do khác nữa. Kể từ sự đổi mới gần đây trong thiên văn học sóng hấp dẫn, đã có những khám phá về sự hợp nhất của các lỗ đen đôi, điều này có thể được giải thích nếu các lỗ đen nguyên thủy tồn tại với số lượng lớn.
“Nhưng bất chấp những lý do mạnh mẽ giải thích cho sự phong phú được dự đoán của chúng, chúng tôi vẫn chưa nhìn thấy chúng một cách trực tiếp và bây giờ chúng tôi có một mô hình có thể giải thích tại sao điều này xảy ra.”
Quay lại Big Bang để tìm kiếm lỗ đen nguyên thủy
Các mô hình được ưa chuộng nhất trong vũ trụ học cho thấy vũ trụ bắt đầu khoảng 13,8 tỷ năm trước trong thời kỳ lạm phát nhanh ban đầu: Vụ nổ lớn.
Sau khi các hạt đầu tiên xuất hiện trong vũ trụ trong quá trình giãn nở ban đầu này, không gian cuối cùng trở nên đủ lạnh để cho phép các electron và proton liên kết và tạo thành các nguyên tử đầu tiên. Đó là lúc nguyên tố hydro ra đời. Ngoài ra, trước khi quá trình làm mát này xảy ra, ánh sáng không thể truyền qua vũ trụ. Điều này là do các electron phân tán vô tận các photon, là các hạt ánh sáng. Vì vậy, trong Thời kỳ Tăm tối này, vũ trụ về cơ bản là tối tăm.
Tuy nhiên, một khi các electron tự do có thể liên kết với các proton và ngừng nảy xung quanh, ánh sáng cuối cùng đã có thể truyền đi tự do. Sau sự kiện này, được gọi là “sự tán xạ cuối cùng” và trong khoảng thời gian tiếp theo được gọi là “kỷ nguyên tái ion hóa”, vũ trụ ngay lập tức trở nên trong suốt với ánh sáng. Ánh sáng đầu tiên chiếu xuyên qua vũ trụ vào thời điểm này ngày nay vẫn có thể được nhìn thấy dưới dạng trường bức xạ gần như đồng nhất, một “hóa thạch” toàn cầu được gọi là nền vi sóng vũ trụ, hay CMB.
Trong khi đó, các nguyên tử hydro được tạo ra tiếp tục hình thành nên những ngôi sao đầu tiên, những thiên hà đầu tiên và những cụm thiên hà đầu tiên. Chắc chắn, một số thiên hà dường như có khối lượng lớn hơn những gì các thành phần nhìn thấy được của chúng có thể giải thích được, và sự dư thừa này chỉ được cho là do vật chất tối.
Trong khi các lỗ đen có khối lượng sao hình thành từ sự sụp đổ và cái chết của các ngôi sao lớn, và các lỗ đen siêu lớn phát triển từ sự hợp nhất liên tiếp của các lỗ đen nhỏ hơn, thì các lỗ đen nguyên thủy có trước các ngôi sao, vì vậy chúng phải có nguồn gốc duy nhất.
Một số nhà khoa học tin rằng các điều kiện trong vũ trụ sơ khai dày đặc và nóng đến mức những mảng vật chất nhỏ hơn có thể sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính chúng để sinh ra những lỗ đen nhỏ bé này, với chân trời sự kiện không rộng hơn một đồng xu, hoặc có lẽ nhỏ hơn một proton. , tùy. Chặn họ.
Nhóm nghiên cứu này trước đây đã xem xét các mô hình lỗ đen nguyên thủy trong vũ trụ sơ khai, nhưng những mô hình này không phù hợp với các quan sát của CMB. Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đã áp dụng hiệu chỉnh cho lý thuyết hàng đầu về sự hình thành lỗ đen nguyên thủy. Những điều chỉnh được báo cáo bởi QFT.
“Ban đầu, vũ trụ cực kỳ nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với kích thước của một nguyên tử. Lạm phát vũ trụ nhanh chóng mở rộng theo 25 bậc độ lớn”, Kavli IPMU và Giám đốc RESCEU Jun'ichi Yokoyama cho biết trong tuyên bố. “Vào thời điểm đó, sóng truyền qua một không gian nhỏ như vậy sẽ có biên độ tương đối lớn nhưng bước sóng rất ngắn”.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng những sóng nhỏ nhưng mạnh này có thể trải qua quá trình khuếch đại để trở thành sóng lớn hơn và dài hơn nhiều, đó là điều mà các nhà thiên văn học nhìn thấy trong CMB hiện tại. Đội nghiên cứu tin rằng sự khuếch đại này là kết quả của sự kết hợp giữa các sóng ngắn ban đầu, điều này có thể được giải thích bằng QFT.
Yokoyama cho biết: “Trong khi các đợt sóng ngắn riêng lẻ tương đối bất lực, các nhóm gắn kết sẽ có khả năng tái tạo các làn sóng lớn hơn chính họ rất nhiều”. “Đây là một ví dụ hiếm hoi trong đó một lý thuyết về một điều gì đó ở một thang đo cực đoan dường như giải thích được điều gì đó ở đầu bên kia của thang đo.”
Nếu lý thuyết của nhóm nghiên cứu rằng những biến động quy mô nhỏ, ban đầu trong vũ trụ có thể phát triển và ảnh hưởng đến những biến động quy mô lớn trong CMB là đúng, thì điều này sẽ ảnh hưởng đến cách các cấu trúc trong vũ trụ phát triển. Việc đo các thăng giáng CMB có thể giúp hạn chế độ lớn của các thăng giáng ban đầu trong vũ trụ sơ khai. Điều này lại đặt ra những hạn chế đối với các hiện tượng dựa vào những dao động ngắn hơn, chẳng hạn như các lỗ đen nguyên thủy.
Christiano nói: “Người ta tin rằng sự suy giảm của các bước sóng ngắn nhưng mạnh mẽ trong vũ trụ sơ khai là nguyên nhân dẫn đến việc tạo ra các lỗ đen nguyên thủy”. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng sẽ có ít lỗ đen nguyên thủy hơn mức cần thiết nếu chúng thực sự là ứng cử viên nặng ký cho vật chất tối hoặc các sự kiện sóng hấp dẫn.”
Các lỗ đen nguyên thủy hiện đang là giả thuyết được xác nhận. Điều này là do bản chất bẫy ánh sáng của các lỗ đen khối lượng sao khiến cho việc nhìn thấy những vật thể lớn hơn này trở nên khó khăn, vì vậy hãy tưởng tượng việc phát hiện ra một lỗ đen có chân trời sự kiện có kích thước bằng một đồng xu sẽ khó đến mức nào.
Chìa khóa để khám phá các lỗ đen nguyên thủy có thể không nằm ở “thiên văn học thông thường” mà nằm ở việc đo những gợn sóng nhỏ trong không-thời gian gọi là sóng hấp dẫn. Trong khi các máy dò sóng hấp dẫn hiện tại không đủ nhạy để phát hiện các gợn sóng trong không thời gian do các lỗ đen nguyên thủy va chạm nhau, thì các dự án trong tương lai, chẳng hạn như Ăng-ten không gian giao thoa kế laser (LISA), sẽ đưa việc phát hiện sóng hấp dẫn vào không gian. Điều này có thể giúp xác nhận hoặc bác bỏ lý thuyết của nhóm, đưa các nhà khoa học đến gần hơn với việc xác nhận liệu các lỗ đen nguyên thủy có thể là nguyên nhân tạo ra vật chất tối hay không.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ Tư (29/5) trên tạp chí Physical Review Letters.