Đăng ký nhận bản tin khoa học Lý thuyết kỳ diệu của CNN. Khám phá vũ trụ với tin tức về những khám phá hấp dẫn, tiến bộ khoa học và hơn thế nữa.

CNN
—

Trong khoảng 50 năm, cộng đồng khoa học đã phải vật lộn với một vấn đề lớn: không có đủ vật chất nhìn thấy được trong vũ trụ.

Tất cả vật chất chúng ta có thể nhìn thấy – các ngôi sao, hành tinh, bụi vũ trụ và mọi thứ ở giữa – đều không thể giải thích tại sao vũ trụ lại hành xử như vậy và sẽ phải có lượng vật chất xung quanh chúng ta nhiều gấp năm lần thì các nhà nghiên cứu mới quan sát được. có lý. Theo NASA. Các nhà khoa học gọi chất này là vật chất tối vì nó không tương tác với ánh sáng và vô hình.

Vào những năm 1970, nhà thiên văn học người Mỹ Vera Rubin và… Kent Ford phát hiện ra sự tồn tại của vật chất tối bằng cách quan sát các ngôi sao quay quanh rìa của các thiên hà xoắn ốc. Họ lưu ý rằng những ngôi sao này đang chuyển động quá nhanh để có thể được giữ lại với nhau bởi vật chất nhìn thấy được và lực hấp dẫn của thiên hà, và thay vào đó lẽ ra chúng phải bị thổi bay đi. Lời giải thích duy nhất là có một lượng lớn vật chất vô hình giữ thiên hà lại với nhau.

“Những gì bạn nhìn thấy trong một thiên hà xoắn ốc” Robin anh ấy nói Vào thời điểm đó, “đó không phải là những gì bạn nhận được.” Công trình của cô dựa trên một giả thuyết do nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky đưa ra vào những năm 1930 và bắt đầu tìm kiếm vật chất khó nắm bắt.

Kể từ đó, các nhà khoa học đã cố gắng quan sát trực tiếp vật chất tối và thậm chí chế tạo nó Những thiết bị tuyệt vời Để khám phá ra nó, nhưng cho đến nay, chúng tôi chưa gặp may mắn.

Ngay từ đầu nghiên cứu, nhà vật lý nổi tiếng người Anh Stephen Hawking đã đưa ra giả thuyết rằng vật chất tối có thể ẩn náu trong các lỗ đen – chủ đề chính trong nghiên cứu của ông – được hình thành trong vụ nổ lớn.

Giờ đây, một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu từ MIT đã đưa lý thuyết này trở lại nổi bật, tiết lộ những lỗ đen nguyên thủy này được tạo thành từ chất liệu gì và có khả năng phát hiện ra một loại lỗ đen kỳ lạ hoàn toàn mới trong quá trình này.

David Kaiser, một trong những tác giả của nghiên cứu cho biết: “Đó thực sự là một bất ngờ thú vị”.

Kaiser nói: “Chúng tôi đã lợi dụng những tính toán nổi tiếng của Stephen Hawking về lỗ đen, đặc biệt là kết quả quan trọng của ông về bức xạ mà lỗ đen phát ra”. “Những lỗ đen kỳ lạ này phát sinh từ việc cố gắng giải quyết vấn đề vật chất tối. Chúng là sản phẩm phụ của lời giải thích về vật chất tối.”

Các nhà khoa học đã đưa ra nhiều phỏng đoán về vật chất tối là gì, từ những hạt chưa biết đến các chiều bổ sung. Nhưng lý thuyết của Hawking về lỗ đen chỉ mới có hiệu lực gần đây.

Đồng tác giả nghiên cứu Elba Alonso Monsalve, một sinh viên tốt nghiệp tại MIT, cho biết: “Mọi người đã không coi trọng vấn đề này cho đến khoảng 10 năm trước”. “Điều này là do lỗ đen từng có vẻ thực sự xa vời. Vào đầu những năm 1900, mọi người nghĩ rằng chúng chỉ là một sự thật toán học thú vị chứ không chỉ là một sự thật vật lý.”

Bây giờ chúng ta biết rằng hầu hết mọi thiên hà đều chứa một lỗ đen ở trung tâm, các nhà nghiên cứu Einstein phát hiện ra Sóng hấp dẫn Được tạo ra bởi sự va chạm của các lỗ đen vào năm 2015 – một khám phá mang tính bước ngoặt – nó cho thấy chúng có mặt ở khắp mọi nơi.

“Trên thực tế, vũ trụ chứa đầy lỗ đen”, Alonso Monsalve nói. “Nhưng không có hạt vật chất tối nào được tìm thấy, mặc dù mọi người đã tìm kiếm ở tất cả những nơi mà họ mong đợi để tìm thấy nó. Điều này không có nghĩa là vật chất tối không phải là một hạt hoặc chắc chắn đó là lỗ đen. cả hai. Nhưng hiện nay, “Các lỗ đen đang được coi là ứng cử viên nghiêm túc cho vật chất tối”.

cuối cùng Nghiên cứu hiện đại Giả thuyết của Hawking được xác nhận là đúng, nhưng công trình của Alonso Monsalvi và Kaiser, giáo sư vật lý và giáo sư lịch sử khoa học tại Viện Germshausen ở MIT, đã tiến thêm một bước nữa và xem xét chính xác điều gì đã xảy ra khi các lỗ đen nguyên thủy lần đầu tiên xuất hiện. hình thành. .

các Stadyxuất bản ngày 6 tháng 6 trên tạp chí Physical Review Letters, tiết lộ rằng những lỗ đen này hẳn đã xuất hiện trong năm phần triệu giây đầu tiên của vụ nổ lớn: “Điều này còn rất sớm, sớm hơn nhiều so với thời điểm các proton và neutron xuất hiện, ” Alonso Monsalve nói “Các phân tử tạo nên mọi thứ đã được hình thành.”

Cô nói thêm rằng trong thế giới hàng ngày của chúng ta, chúng ta không thể tìm thấy các proton và neutron phân rã, vốn là những hạt cơ bản. Tuy nhiên, chúng ta biết rằng không phải vậy, vì nó được tạo thành từ những hạt nhỏ hơn gọi là quark, được liên kết với nhau bởi những hạt khác gọi là gluon.

Alonso Monsalvi nói thêm: “Bây giờ bạn không thể tìm thấy các quark và gluon đơn lẻ và tự do trong vũ trụ, vì nó quá lạnh”. “Nhưng vào thời kỳ đầu của Vụ nổ lớn, khi trời rất nóng, chúng có thể được tìm thấy một mình và tự do. Vì vậy, các lỗ đen nguyên thủy được hình thành do sự hấp thụ các quark và gluon tự do.

Cấu hình như vậy sẽ khiến nó hoàn toàn khác biệt với các lỗ đen vật lý thiên văn mà các nhà khoa học thường quan sát thấy trong vũ trụ, là kết quả của sự sụp đổ của các ngôi sao. Lỗ đen nguyên thủy cũng sẽ nhỏ hơn nhiều, trung bình chỉ có khối lượng của tiểu hành tinh ngưng tụ đến kích thước của một nguyên tử. Nhưng nếu có đủ số lỗ đen nguyên thủy này không bốc hơi vào thời điểm bắt đầu vụ nổ lớn và tồn tại cho đến ngày nay, thì chúng có thể là nguyên nhân tạo ra toàn bộ hoặc phần lớn vật chất tối.

Theo nghiên cứu, trong khi các lỗ đen nguyên thủy đang hình thành, một loại lỗ đen vô hình khác hẳn đã hình thành như một loại sản phẩm phụ. Cái này lẽ ra nhỏ hơn, chỉ một dãy nhà A con kỳ lânngưng tụ đến kích thước nhỏ hơn một proton.

Những lỗ đen nhỏ bé này, do kích thước nhỏ của chúng, nên có thể nắm bắt được một đặc tính hiếm và lạ của hỗn hợp quark-gluon mà chúng hình thành, được gọi là “điện tích màu”. Kaiser cho biết, đó là trạng thái tích điện giới hạn ở các quark và gluon và không bao giờ được tìm thấy ở các vật thể thông thường.

Điện tích màu này sẽ làm cho nó trở nên độc nhất trong số các lỗ đen, thường không có bất kỳ loại điện tích nào. Alonso Monsalve nói: “Không thể tránh khỏi việc những lỗ đen nhỏ hơn này cũng đã hình thành, như một sản phẩm phụ (của quá trình hình thành các lỗ đen nguyên thủy), nhưng ngày nay chúng không còn tồn tại nữa vì chúng đã bốc hơi rồi”.

Tuy nhiên, nếu vẫn còn cách vụ nổ lớn khoảng mười phần triệu giây, khi proton và neutron hình thành, nó có thể để lại dấu vết có thể quan sát được bằng cách thay đổi sự cân bằng giữa hai loại hạt.

Bà nói thêm: “Sự cân bằng giữa số lượng proton và số lượng neutron được tạo ra là rất mong manh và phụ thuộc vào những vật chất khác có mặt trong vũ trụ vào thời điểm đó”. có thể thay đổi sự cân bằng giữa proton và neutron.” (Đối với cái này hay cái kia), điều đó vừa đủ để đo lường điều đó trong vài năm tới.

Kaiser cho biết phép đo có thể đến từ kính viễn vọng trên mặt đất hoặc các thiết bị nhạy cảm trên các vệ tinh quay quanh. Ông nói thêm rằng có thể còn có cách khác để xác nhận sự tồn tại của những lỗ đen kỳ lạ này.

Kaiser cho biết: “Sự hình thành của một cụm lỗ đen là một quá trình cực kỳ dữ dội sẽ tạo ra những gợn sóng khổng lồ vào không-thời gian xung quanh. Tốc độ này sẽ giảm dần theo tiến trình lịch sử vũ trụ, nhưng không đến mức 0”. máy dò trọng lực có thể xem xét.” “Một cái nhìn thoáng qua về các lỗ đen khối lượng nhỏ – một trạng thái vật chất kỳ lạ là sản phẩm phụ bất ngờ của các lỗ đen thông thường hơn có thể giải thích vật chất tối ngày nay.”

Điều này có ý nghĩa gì đối với các thí nghiệm đang diễn ra nhằm cố gắng phát hiện vật chất tối, ví dụ: Thí nghiệm vật chất tối LZ Ở Nam Dakota?

“Ý tưởng về các hạt mới lạ vẫn là một giả thuyết thú vị”, Kaiser nói. Có nhiều loại thí nghiệm lớn khác, một số đang được xây dựng, nhằm tìm kiếm những phương pháp sáng tạo để phát hiện sóng hấp dẫn. Chúng thực sự có thể thu được một số tín hiệu lạc từ quá trình hình thành cực kỳ dữ dội của các lỗ đen nguyên thủy.

Alonso Monsalvi nói thêm rằng cũng có khả năng các lỗ đen nguyên thủy chỉ là một phần nhỏ của vật chất tối. “Nó thực sự không nhất thiết phải giống nhau,” cô nói. “Có vật chất tối nhiều gấp 5 lần vật chất bình thường và vật chất bình thường được tạo thành từ rất nhiều hạt khác nhau. Vậy tại sao vật chất tối lại phải là một loại vật thể?”

Theo Nico Capellotti, trợ lý giáo sư tại Khoa Vật lý tại Đại học Miami, các lỗ đen nguyên thủy đã trở lại phổ biến sau khi phát hiện ra sóng hấp dẫn, nhưng vẫn còn rất ít thông tin về sự hình thành của chúng. Anh ấy đã không tham gia vào nghiên cứu.

“Công trình này là một lựa chọn thú vị và khả thi để giải thích vật chất tối khó nắm bắt,” Capellotti nói.

Priyamvada Natarajan, Giáo sư Vật lý và Thiên văn học Joseph S. và Sophia S. Fruton tại Đại học Yale cho biết, nghiên cứu này rất thú vị và gợi ý một cơ chế mới cho sự hình thành thế hệ lỗ đen đầu tiên. Cô cũng không tham gia vào nghiên cứu.

Natarajan nói: “Tất cả hydro và heli trong vũ trụ của chúng ta ngày nay đều được tạo ra trong ba phút đầu tiên và nếu đủ số lỗ đen nguyên thủy này tồn tại ngay cả khi đó, chúng sẽ ảnh hưởng đến quá trình đó và những hiệu ứng đó có thể được phát hiện”. .

“Việc đây là một giả thuyết có thể kiểm chứng bằng quan sát là điều tôi thấy thực sự thú vị, ngoài thực tế là điều này cho thấy rằng thiên nhiên có thể đã tạo ra các lỗ đen bắt đầu từ thời xa xưa thông qua nhiều con đường.”