Để khám phá bí mật của vật chất tối, các nhà khoa học có thể tìm đến các hố đen siêu lớn và khả năng hoạt động như máy va chạm hạt siêu mạnh tự nhiên của chúng. Theo nghiên cứu mới phát hiện ra rằng các điều kiện xung quanh hố đen dữ dội hơn so với những gì người ta từng tin.
Hiện tại, máy gia tốc hạt mạnh nhất trên Trái đất là Máy va chạm Hadron lớn (LHC), nhưng kể từ khi được sử dụng để khám phá ra Boson Higgs vào năm 2012, máy này đã không đưa ra được bằng chứng về vật lý vượt ra ngoài cái gọi là "mô hình chuẩn của vật lý hạt", bao gồm các hạt tạo nên vật chất tối.
Điều đó đã khiến các nhà khoa học đề xuất và lập kế hoạch xây dựng các máy va chạm hạt thậm chí còn lớn hơn và mạnh hơn để khám phá vùng đất vật lý chưa được khám phá này. Tuy nhiên, các máy gia tốc hạt này có chi phí xây dựng và thời gian chế tạo rất tốn kém. May mắn thay, vũ trụ cung cấp các máy gia tốc hạt tự nhiên dưới dạng các môi trường khắc nghiệt xung quanh các hố đen siêu lớn. Chúng ta chỉ cần một chút khéo léo để khai thác chúng.
"Một trong những hy vọng lớn nhất của các máy gia tốc hạt như LHC là nó sẽ tạo ra các hạt vật chất tối, nhưng chúng tôi vẫn chưa thấy bất kỳ bằng chứng nào", Joseph Silk, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đại học Johns Hopkins, cho biết trong một tuyên bố. "Đó là lý do tại sao có những cuộc thảo luận đang được tiến hành để xây dựng một phiên bản mạnh mẽ hơn nhiều, một siêu va chạm thế hệ tiếp theo. Nhưng khi chúng ta đầu tư 30 tỷ đô la và chờ 40 năm để xây dựng siêu va chạm này, thiên nhiên có thể cung cấp một cái nhìn thoáng qua về tương lai trong các lỗ đen siêu lớn."
Vật chất tối vẫn khó nắm bắt một cách đáng thất vọng vì nó không tương tác với ánh sáng, khiến nó thực sự vô hình. Đây là lý do tại sao chúng ta biết nó không thể được tạo thành từ các nguyên tử thông thường vì các hạt này cótương tác với ánh sáng. Điều đó đã thúc đẩy việc tìm kiếm các hạt mới có thể tạo nên vật chất tối, với phần lớn nỗ lực này được thực hiện bằng cách sử dụng các máy gia tốc hạt như LHC.
Các máy gia tốc hạt do con người tạo ra như LHC cho phép các nhà khoa học thăm dò các khía cạnh cơ bản của tự nhiên bằng cách va chạm các hạt như proton với tốc độ gần bằng ánh sáng. Điều này tạo ra các tia năng lượng và các trận mưa hạt tồn tại trong thời gian ngắn. Trong những trận mưa này, các nhà khoa học săn lùng các hạt chưa từng được phát hiện.
Các hạt thử nghiệm như proton được tăng tốc và hướng về nhau bên trong LHC và các "máy đập vỡ nguyên tử" khác bằng cách sử dụng nam châm cực mạnh, nhưng các hố đen siêu lớn có thể mô phỏng quá trình này bằng lực hấp dẫn và vòng quay của chính chúng.
Các hố đen siêu lớn có khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần khối lượng của mặt trời nằm ở trung tâm các thiên hà thường được bao quanh bởi vật chất trong các đám mây dẹt gọi là "đĩa bồi tụ". Khi các lỗ đen này quay với tốc độ cao, một số vật chất này được dẫn đến các cực của chúng, từ đó chúng bị thổi bay ra ngoài dưới dạng các tia plasma có tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.
Hiện tượng này có thể tạo ra các hiệu ứng tương tự như những hiệu ứng được thấy trong các máy gia tốc hạt ở đây trên Trái đất.
"Nếu các lỗ đen siêu lớn có thể tạo ra các hạt này bằng các va chạm proton năng lượng cao, thì chúng ta có thể nhận được tín hiệu về Trái đất, một số hạt năng lượng thực sự cao đi qua máy dò của chúng tôi một cách nhanh chóng", Silk nói. "Đó sẽ là bằng chứng cho một máy va chạm hạt mới lạ bên trong các vật thể bí ẩn nhất trong vũ trụ, đạt được năng lượng mà không máy gia tốc trên mặt đất nào có thể đạt được".
"Chúng ta sẽ thấy thứ gì đó có dấu hiệu kỳ lạ có thể cung cấp bằng chứng về vật chất tối, đây là một bước tiến lớn, nhưng vẫn có thể xảy ra."
Chìa khóa cho công thức của Silk và các đồng nghiệp về các hố đen siêu lớn dưới dạng siêu máy va chạm phụ thuộc vào khám phá của họ rằng dòng khí gần hố đen có thể làm giảm năng lượng từ chuyển động quay của hố đen đó. Điều này khiến các điều kiện trong khí trở nên dữ dội hơn nhiều so với dự kiến.
Do đó, xung quanh các hố đen siêu lớn đang quay, sẽ có vô số vụ va chạm tốc độ cao giữa các hạt tương tự như những vụ va chạm được tạo ra trong LHC tại đây trên Trái đất.
"Một số hạt từ những vụ va chạm này sẽ đi xuống cổ họng của hố đen và biến mất mãi mãi", Silk cho biết. "Nhưng vì năng lượng và động lượng của chúng, một số cũng thoát ra, và chính những thứ thoát ra được tăng tốc đến mức năng lượng cao chưa từng có.
"Rất khó để nói giới hạn là bao nhiêu, nhưng chắc chắn chúng có thể đạt đến năng lượng của siêu máy va chạm mới nhất mà chúng tôi dự định chế tạo, vì vậy chúng chắc chắn có thể cung cấp cho chúng tôi những kết quả bổ sung", Silk cho biết.
Câu chuyện liên quan:
— Hố đen tự giới thiệu với các nhà thiên văn học bằng cách xé toạc một ngôi sao một cách dữ dội
— Cái chết đẫm máu của một ngôi sao khổng lồ do hố đen gây ra là sự kiện lớn nhất và sáng nhất cùng loại
— Ngôi sao thoát khỏi hố đen siêu lớn háu đói, để lại ngôi sao của nó partner
Tất nhiên, việc bắt được các hạt năng lượng cao này từ các siêu máy va chạm siêu lớn cách xa nhiều năm ánh sáng sẽ rất khó khăn ngay cả khi lý thuyết của nhóm nghiên cứu là đúng. Chìa khóa cho phát hiện này có thể là các đài quan sát đang theo dõi các siêu tân tinh, vụ phun trào lỗ đen và các sự kiện vũ trụ năng lượng cao khác.
"Sự khác biệt giữa một siêu máy va chạm và một lỗ đen là lỗ đen ở rất xa", Silk kết luận. "Nhưng dù sao thì các hạt này vẫn sẽ đến được với chúng ta".
Nghiên cứu của nhóm nghiên cứu đã được công bố vào thứ Ba (ngày 3 tháng 6) trên tạp chí Physical Review Letters.
Hiện tại, máy gia tốc hạt mạnh nhất trên Trái đất là Máy va chạm Hadron lớn (LHC), nhưng kể từ khi được sử dụng để khám phá ra Boson Higgs vào năm 2012, máy này đã không đưa ra được bằng chứng về vật lý vượt ra ngoài cái gọi là "mô hình chuẩn của vật lý hạt", bao gồm các hạt tạo nên vật chất tối.
Điều đó đã khiến các nhà khoa học đề xuất và lập kế hoạch xây dựng các máy va chạm hạt thậm chí còn lớn hơn và mạnh hơn để khám phá vùng đất vật lý chưa được khám phá này. Tuy nhiên, các máy gia tốc hạt này có chi phí xây dựng và thời gian chế tạo rất tốn kém. May mắn thay, vũ trụ cung cấp các máy gia tốc hạt tự nhiên dưới dạng các môi trường khắc nghiệt xung quanh các hố đen siêu lớn. Chúng ta chỉ cần một chút khéo léo để khai thác chúng.
"Một trong những hy vọng lớn nhất của các máy gia tốc hạt như LHC là nó sẽ tạo ra các hạt vật chất tối, nhưng chúng tôi vẫn chưa thấy bất kỳ bằng chứng nào", Joseph Silk, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đại học Johns Hopkins, cho biết trong một tuyên bố. "Đó là lý do tại sao có những cuộc thảo luận đang được tiến hành để xây dựng một phiên bản mạnh mẽ hơn nhiều, một siêu va chạm thế hệ tiếp theo. Nhưng khi chúng ta đầu tư 30 tỷ đô la và chờ 40 năm để xây dựng siêu va chạm này, thiên nhiên có thể cung cấp một cái nhìn thoáng qua về tương lai trong các lỗ đen siêu lớn."
Siêu va chạm siêu lớn
Vật chất tối là thứ bí ẩn dường như chiếm khoảng 85% tất cả vật chất trong vũ trụ. Điều đó có nghĩa là vật chất mà chúng ta hiểu — mọi thứ chúng ta thấy xung quanh mình bao gồm các nguyên tử tạo thành từ electron, proton và neutron — chỉ chiếm 15% vật chất trong vũ trụ.Vật chất tối vẫn khó nắm bắt một cách đáng thất vọng vì nó không tương tác với ánh sáng, khiến nó thực sự vô hình. Đây là lý do tại sao chúng ta biết nó không thể được tạo thành từ các nguyên tử thông thường vì các hạt này cótương tác với ánh sáng. Điều đó đã thúc đẩy việc tìm kiếm các hạt mới có thể tạo nên vật chất tối, với phần lớn nỗ lực này được thực hiện bằng cách sử dụng các máy gia tốc hạt như LHC.
Các máy gia tốc hạt do con người tạo ra như LHC cho phép các nhà khoa học thăm dò các khía cạnh cơ bản của tự nhiên bằng cách va chạm các hạt như proton với tốc độ gần bằng ánh sáng. Điều này tạo ra các tia năng lượng và các trận mưa hạt tồn tại trong thời gian ngắn. Trong những trận mưa này, các nhà khoa học săn lùng các hạt chưa từng được phát hiện.
Các hạt thử nghiệm như proton được tăng tốc và hướng về nhau bên trong LHC và các "máy đập vỡ nguyên tử" khác bằng cách sử dụng nam châm cực mạnh, nhưng các hố đen siêu lớn có thể mô phỏng quá trình này bằng lực hấp dẫn và vòng quay của chính chúng.
Các hố đen siêu lớn có khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần khối lượng của mặt trời nằm ở trung tâm các thiên hà thường được bao quanh bởi vật chất trong các đám mây dẹt gọi là "đĩa bồi tụ". Khi các lỗ đen này quay với tốc độ cao, một số vật chất này được dẫn đến các cực của chúng, từ đó chúng bị thổi bay ra ngoài dưới dạng các tia plasma có tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.
Hiện tượng này có thể tạo ra các hiệu ứng tương tự như những hiệu ứng được thấy trong các máy gia tốc hạt ở đây trên Trái đất.
"Nếu các lỗ đen siêu lớn có thể tạo ra các hạt này bằng các va chạm proton năng lượng cao, thì chúng ta có thể nhận được tín hiệu về Trái đất, một số hạt năng lượng thực sự cao đi qua máy dò của chúng tôi một cách nhanh chóng", Silk nói. "Đó sẽ là bằng chứng cho một máy va chạm hạt mới lạ bên trong các vật thể bí ẩn nhất trong vũ trụ, đạt được năng lượng mà không máy gia tốc trên mặt đất nào có thể đạt được".
"Chúng ta sẽ thấy thứ gì đó có dấu hiệu kỳ lạ có thể cung cấp bằng chứng về vật chất tối, đây là một bước tiến lớn, nhưng vẫn có thể xảy ra."
Chìa khóa cho công thức của Silk và các đồng nghiệp về các hố đen siêu lớn dưới dạng siêu máy va chạm phụ thuộc vào khám phá của họ rằng dòng khí gần hố đen có thể làm giảm năng lượng từ chuyển động quay của hố đen đó. Điều này khiến các điều kiện trong khí trở nên dữ dội hơn nhiều so với dự kiến.
Do đó, xung quanh các hố đen siêu lớn đang quay, sẽ có vô số vụ va chạm tốc độ cao giữa các hạt tương tự như những vụ va chạm được tạo ra trong LHC tại đây trên Trái đất.
"Một số hạt từ những vụ va chạm này sẽ đi xuống cổ họng của hố đen và biến mất mãi mãi", Silk cho biết. "Nhưng vì năng lượng và động lượng của chúng, một số cũng thoát ra, và chính những thứ thoát ra được tăng tốc đến mức năng lượng cao chưa từng có.
"Rất khó để nói giới hạn là bao nhiêu, nhưng chắc chắn chúng có thể đạt đến năng lượng của siêu máy va chạm mới nhất mà chúng tôi dự định chế tạo, vì vậy chúng chắc chắn có thể cung cấp cho chúng tôi những kết quả bổ sung", Silk cho biết.
Câu chuyện liên quan:
— Hố đen tự giới thiệu với các nhà thiên văn học bằng cách xé toạc một ngôi sao một cách dữ dội
— Cái chết đẫm máu của một ngôi sao khổng lồ do hố đen gây ra là sự kiện lớn nhất và sáng nhất cùng loại
— Ngôi sao thoát khỏi hố đen siêu lớn háu đói, để lại ngôi sao của nó partner
Tất nhiên, việc bắt được các hạt năng lượng cao này từ các siêu máy va chạm siêu lớn cách xa nhiều năm ánh sáng sẽ rất khó khăn ngay cả khi lý thuyết của nhóm nghiên cứu là đúng. Chìa khóa cho phát hiện này có thể là các đài quan sát đang theo dõi các siêu tân tinh, vụ phun trào lỗ đen và các sự kiện vũ trụ năng lượng cao khác.
"Sự khác biệt giữa một siêu máy va chạm và một lỗ đen là lỗ đen ở rất xa", Silk kết luận. "Nhưng dù sao thì các hạt này vẫn sẽ đến được với chúng ta".
Nghiên cứu của nhóm nghiên cứu đã được công bố vào thứ Ba (ngày 3 tháng 6) trên tạp chí Physical Review Letters.
