Trong vũ trụ cực kỳ sơ khai, các lỗ đen nguyên thủy có thể có được "điện tích tối", mang lại cho chúng tuổi thọ dài bất thường. Nghiên cứu mới cho thấy điều này khiến chúng trở thành ứng cử viên thú vị, mặc dù kỳ lạ, cho vật chất tối.
Vào những năm 1970, Stephen Hawking phát hiện ra rằng các lỗ đen không hoàn toàn đen. Thông qua tương tác phức tạp giữa chân trời sự kiện của chúng và các trường lượng tử thấm không-thời gian xung quanh chúng, chúng có thể phát ra bức xạ chậm nhưng đều đặn. Điều này khiến các lỗ đen mất khối lượng và trên thực tế, chúng càng nhỏ thì càng sáng, cho đến khi chúng biến mất hoàn toàn trong một trận mưa hạt và bức xạ.
Sau đó, Hawking nhanh chóng nhận ra rằng các điều kiện kỳ lạ của vũ trụ sơ khai có thể đã tràn ngập vũ trụ bằng các lỗ đen "nguyên thủy", được hình thành từ các túi có mật độ cực cao trong chính không-thời gian. Nếu các lỗ đen nguyên thủy này đủ nhỏ, thì chúng ta có thể thấy chúng bốc hơi vào thời điểm hiện tại.
Trong một thời gian, các nhà vũ trụ học nghĩ rằng các lỗ đen nguyên thủy có thể là ứng cử viên chắc chắn cho vật chất tối, một chất bí ẩn dường như tạo nên phần lớn khối lượng của hầu hết mọi thiên hà. Than ôi, mặc dù đã quan sát trong nhiều thập kỷ, vẫn chưa có dấu hiệu nào cho thấy các hố đen nguyên thủy đang bốc hơi.
Liên quan: Liệu các hố đen giết chết hành tinh có ẩn náu bên trong con mèo của bạn không?
Nhưng đó chưa phải là hồi kết của câu chuyện về hố đen nguyên thủy. Phân tích ban đầu của Hawking chỉ nghiên cứu loại hố đen đơn giản nhất, loại không có điện tích. Nghiên cứu sau đó phát hiện ra rằng các hố đen tích điện có thể có tuổi thọ dài hơn rất nhiều. Nhưng vũ trụ, ngay cả Vụ nổ lớn cực kỳ sớm, nhìn chung là trung hòa về điện, vì vậy chúng ta không mong đợi bất kỳ lỗ đen nguyên thủy nào mang điện tích.
Trừ khi đó là một loại điện tích mới mà chúng ta vẫn chưa phát hiện ra, theo nghiên cứu mới do Jessica Santiago tại Đại học Quốc gia Đài Loan dẫn đầu, được đăng trên trang web bản in trước trực tuyến arXiv vào tháng 3.
Khi các nhà lý thuyết khám phá những khả năng về vật chất tối có thể là gì, một số người đã đưa ra giả thuyết rằng nó có thể là sự phản ánh đối với trải nghiệm thông thường của chúng ta với vật lý. Có thể có nhiều loại hạt vật chất tối khác nhau, tất cả đều tương tác theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, thay vì các electron tương tác thông qua photon, có thể có các electron tối tương tác thông qua photon tối — không chỉ là các hạt mới, mà là các lực tự nhiên hoàn toàn mới hoạt động theo cách hoàn toàn ẩn đối với các quan sát hiện tại của chúng ta.
Santiago và nhóm của bà phát hiện ra rằng nếu các electron tối có nhiều trong vũ trụ sơ khai, chúng có thể tích điện cho các lỗ đen nguyên thủy theo cách mà các electron bình thường không thể làm được. Các lỗ đen nguyên thủy tích điện này sau đó sẽ có tuổi thọ kéo dài đáng kể, gấp nhiều lần tuổi hiện tại của vũ trụ. Điều này có nghĩa là các lỗ đen đó vẫn có thể tồn tại trong vũ trụ hiện đại, khiến chúng chịu trách nhiệm cho hiện tượng vật chất tối.
Điều quan trọng là nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng bản thân các electron tối không nhất thiết phải tồn tại. Chúng chỉ cần có mặt trong vũ trụ rất trẻ khi chúng tham gia tích điện cho các lỗ đen. Khi điều đó hoàn tất, chúng được tự do làm bất cứ điều gì chúng muốn — bao gồm cả việc biến mất hoàn toàn khỏi bối cảnh vũ trụ.
Điều duy nhất quan trọng là các lỗ đen có đủ điện tích để ổn định quá trình phân rã của chúng và ngăn chúng bốc hơi. Theo cách này, vật lý kỳ lạ của các electron tối và photon tối có thể được áp dụng mà không phải lo lắng về hậu quả lâu dài của sự hiện diện của chúng.
Điều này cũng giải thích tại sao chúng ta vẫn chưa thấy bất kỳ lỗ đen nguyên thủy nào bốc hơi. Chúng chỉ đơn giản là không có đủ thời gian để phân rã.
Các bài viết liên quan:
— Vật chất tối có thể tồn tại trong một lớp sương mù dày đặc xung quanh các xác chết của các ngôi sao
— Vật chất tối cuối cùng cũng có thể tự bộc lộ thông qua các tương tác tự thân
— Một hố đen 'nguyên thủy' có thể phóng qua hệ mặt trời của chúng ta mỗi thập kỷ
Giả thuyết này mang tính suy đoán cao, nhưng điều thú vị nhất là các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để hình thành các lỗ đen nguyên thủy, sau đó tích điện đủ để kéo dài tuổi thọ của chúng, theo cách khiến chúng đủ dồi dào để giải thích cho lượng vật chất tối đã biết trong vũ trụ.
Vẫn còn rất nhiều việc phải làm để bắt đầu thử nghiệm ý tưởng này. Ví dụ, các lỗ đen nguyên thủy tích điện không thể ẩn hoàn toàn; nếu không, chúng ta sẽ không có hy vọng phát hiện ra chúng và do đó xác thực được lý thuyết này. Vì vậy, phải có cách nào đó để phát hiện ra các lỗ đen nguyên thủy theo cách mà chúng ta chưa từng thấy.
Đây là bước tiếp theo quan trọng và được giữ lại cho các nghiên cứu trong tương lai, nhưng ít nhất là hiện tại chúng ta có thể đánh giá rằng cuộc sống của các lỗ đen trong vũ trụ sơ khai có thể phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta — và thậm chí cả Stephen Hawking — nghĩ ban đầu.
Vào những năm 1970, Stephen Hawking phát hiện ra rằng các lỗ đen không hoàn toàn đen. Thông qua tương tác phức tạp giữa chân trời sự kiện của chúng và các trường lượng tử thấm không-thời gian xung quanh chúng, chúng có thể phát ra bức xạ chậm nhưng đều đặn. Điều này khiến các lỗ đen mất khối lượng và trên thực tế, chúng càng nhỏ thì càng sáng, cho đến khi chúng biến mất hoàn toàn trong một trận mưa hạt và bức xạ.
Sau đó, Hawking nhanh chóng nhận ra rằng các điều kiện kỳ lạ của vũ trụ sơ khai có thể đã tràn ngập vũ trụ bằng các lỗ đen "nguyên thủy", được hình thành từ các túi có mật độ cực cao trong chính không-thời gian. Nếu các lỗ đen nguyên thủy này đủ nhỏ, thì chúng ta có thể thấy chúng bốc hơi vào thời điểm hiện tại.
Trong một thời gian, các nhà vũ trụ học nghĩ rằng các lỗ đen nguyên thủy có thể là ứng cử viên chắc chắn cho vật chất tối, một chất bí ẩn dường như tạo nên phần lớn khối lượng của hầu hết mọi thiên hà. Than ôi, mặc dù đã quan sát trong nhiều thập kỷ, vẫn chưa có dấu hiệu nào cho thấy các hố đen nguyên thủy đang bốc hơi.
Liên quan: Liệu các hố đen giết chết hành tinh có ẩn náu bên trong con mèo của bạn không?
Nhưng đó chưa phải là hồi kết của câu chuyện về hố đen nguyên thủy. Phân tích ban đầu của Hawking chỉ nghiên cứu loại hố đen đơn giản nhất, loại không có điện tích. Nghiên cứu sau đó phát hiện ra rằng các hố đen tích điện có thể có tuổi thọ dài hơn rất nhiều. Nhưng vũ trụ, ngay cả Vụ nổ lớn cực kỳ sớm, nhìn chung là trung hòa về điện, vì vậy chúng ta không mong đợi bất kỳ lỗ đen nguyên thủy nào mang điện tích.
Trừ khi đó là một loại điện tích mới mà chúng ta vẫn chưa phát hiện ra, theo nghiên cứu mới do Jessica Santiago tại Đại học Quốc gia Đài Loan dẫn đầu, được đăng trên trang web bản in trước trực tuyến arXiv vào tháng 3.
Khi các nhà lý thuyết khám phá những khả năng về vật chất tối có thể là gì, một số người đã đưa ra giả thuyết rằng nó có thể là sự phản ánh đối với trải nghiệm thông thường của chúng ta với vật lý. Có thể có nhiều loại hạt vật chất tối khác nhau, tất cả đều tương tác theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, thay vì các electron tương tác thông qua photon, có thể có các electron tối tương tác thông qua photon tối — không chỉ là các hạt mới, mà là các lực tự nhiên hoàn toàn mới hoạt động theo cách hoàn toàn ẩn đối với các quan sát hiện tại của chúng ta.
Santiago và nhóm của bà phát hiện ra rằng nếu các electron tối có nhiều trong vũ trụ sơ khai, chúng có thể tích điện cho các lỗ đen nguyên thủy theo cách mà các electron bình thường không thể làm được. Các lỗ đen nguyên thủy tích điện này sau đó sẽ có tuổi thọ kéo dài đáng kể, gấp nhiều lần tuổi hiện tại của vũ trụ. Điều này có nghĩa là các lỗ đen đó vẫn có thể tồn tại trong vũ trụ hiện đại, khiến chúng chịu trách nhiệm cho hiện tượng vật chất tối.
Điều quan trọng là nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng bản thân các electron tối không nhất thiết phải tồn tại. Chúng chỉ cần có mặt trong vũ trụ rất trẻ khi chúng tham gia tích điện cho các lỗ đen. Khi điều đó hoàn tất, chúng được tự do làm bất cứ điều gì chúng muốn — bao gồm cả việc biến mất hoàn toàn khỏi bối cảnh vũ trụ.
Điều duy nhất quan trọng là các lỗ đen có đủ điện tích để ổn định quá trình phân rã của chúng và ngăn chúng bốc hơi. Theo cách này, vật lý kỳ lạ của các electron tối và photon tối có thể được áp dụng mà không phải lo lắng về hậu quả lâu dài của sự hiện diện của chúng.
Điều này cũng giải thích tại sao chúng ta vẫn chưa thấy bất kỳ lỗ đen nguyên thủy nào bốc hơi. Chúng chỉ đơn giản là không có đủ thời gian để phân rã.
Các bài viết liên quan:
— Vật chất tối có thể tồn tại trong một lớp sương mù dày đặc xung quanh các xác chết của các ngôi sao
— Vật chất tối cuối cùng cũng có thể tự bộc lộ thông qua các tương tác tự thân
— Một hố đen 'nguyên thủy' có thể phóng qua hệ mặt trời của chúng ta mỗi thập kỷ
Giả thuyết này mang tính suy đoán cao, nhưng điều thú vị nhất là các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để hình thành các lỗ đen nguyên thủy, sau đó tích điện đủ để kéo dài tuổi thọ của chúng, theo cách khiến chúng đủ dồi dào để giải thích cho lượng vật chất tối đã biết trong vũ trụ.
Vẫn còn rất nhiều việc phải làm để bắt đầu thử nghiệm ý tưởng này. Ví dụ, các lỗ đen nguyên thủy tích điện không thể ẩn hoàn toàn; nếu không, chúng ta sẽ không có hy vọng phát hiện ra chúng và do đó xác thực được lý thuyết này. Vì vậy, phải có cách nào đó để phát hiện ra các lỗ đen nguyên thủy theo cách mà chúng ta chưa từng thấy.
Đây là bước tiếp theo quan trọng và được giữ lại cho các nghiên cứu trong tương lai, nhưng ít nhất là hiện tại chúng ta có thể đánh giá rằng cuộc sống của các lỗ đen trong vũ trụ sơ khai có thể phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta — và thậm chí cả Stephen Hawking — nghĩ ban đầu.
