Vật chất tối có thể đã góp phần vào sự hình thành các lỗ đen khổng lồ trong vũ trụ sơ khai, các nhà nghiên cứu đề xuất trong một bài báo mới.
Nhiều quan sát hơn, đặc biệt là với Kính viễn vọng không gian James Webb, đang tiết lộ những lỗ đen thực sự khổng lồ xuất hiện trong vũ trụ tương đối trẻ. Chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ nổ lớn, có vẻ như vũ trụ của chúng ta đã là nơi sinh sống của các lỗ đen có khối lượng lớn hơn mặt trời hàng tỷ lần.
Cách duy nhất được biết đến để tạo ra lỗ đen là thông qua cái chết của các ngôi sao khổng lồ, nhưng quá trình đó tạo ra các lỗ đen có khối lượng bằng vài chục khối lượng mặt trời. Vấn đề với sự xuất hiện sớm của các hố đen khổng lồ là đơn giản là không có đủ thời gian để các ngôi sao đầu tiên xuất hiện, chết đi, và sau đó các hố đen nhỏ đó tiêu thụ đủ vật chất để đạt đến trạng thái siêu khối lượng.
Vì vậy, có lẽ vũ trụ sơ khai có một số cách khác để tạo ra các hố đen lớn, khởi động quá trình này. Cách dễ nhất để thực hiện điều đó là lấy các đám mây hydro và heli lớn và để chúng tự sụp đổ, bỏ qua hoàn toàn quá trình hình thành các ngôi sao và đi thẳng đến quá trình hình thành hố đen.
Nhưng các đám mây khí sụp đổ có xu hướng hình thành hydro phân tử, rất hiệu quả trong việc làm mát khí. Thay vì dẫn đến sự sụp đổ, điều này khiến đám mây phân mảnh thành nhiều mảnh nhỏ hơn, tạo ra một cụm các ngôi sao mới sinh và ngăn chặn sự sụp đổ trực tiếp thành một hố đen. Một cách để tránh sự hình thành hydro phân tử là bắn phá nó bằng bức xạ cực tím (UV) năng lượng cao, vốn khan hiếm trong vũ trụ sơ khai, vì các ngôi sao vẫn chưa hình thành.
Trong một bài báo mới được tải lên cơ sở dữ liệu bản in trước arXiv vào tháng 3, Hao Jiao thuộc Đại học McGill ở Quebec và các đồng nghiệp đã đề xuất một giải pháp không chính thống: vật chất tối.
Một số mô hình vật chất tối dự đoán rằng nó cực kỳ nhẹ, thậm chí nhẹ hơn hàng tỷ lần so với neutrino, hạt nhẹ nhất được biết đến. Nếu vật chất tối siêu nhẹ, thì ở quy mô thiên hà, nó hoạt động giống như một đại dương lượng tử hơn là một tổ ong gồm các hạt rời rạc.
Những đại dương vật chất tối chứa mọi thiên hà này có thể hỗ trợ sóng, giống như các đại dương nước, tương ứng với các vùng có mật độ vật chất tối cao hơn.
Điều thú vị là vật chất tối siêu nhẹ có thể biến thành photon (ánh sáng) — và thông qua quá trình này, nhóm nghiên cứu hy vọng có thể loại bỏ hydro phân tử và cho phép các đám mây khí sụp đổ thành các lỗ đen khổng lồ.
Trong vũ trụ sơ khai, các thiên hà như chúng ta biết vẫn chưa hình thành. Thay vào đó, chúng chỉ là những cục hydro và heli được nhúng trong một biển vật chất tối. Nhưng vì đại dương vật chất tối có thể hỗ trợ sóng, nên các túi mật độ cao có thể xuất hiện. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng có một cơ chế phản hồi giữa các sóng vật chất tối và các đám mây khí, dẫn đến một hiện tượng được gọi là cộng hưởng — các sóng chỉ tiếp tục khuếch đại lên các năng lượng ngày càng cao hơn.
Khi cộng hưởng tăng lên, các vùng có mật độ vật chất tối cao sẽ chuyển đổi thành các photon, tạo ra một luồng ánh sáng trong vũ trụ trước khi các ngôi sao đầu tiên xuất hiện.
Nhưng có một vấn đề: Các photon đó có năng lượng quá thấp để có thể phân tách hydro phân tử.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng để quá trình này diễn ra, phải có một bước khác để khuếch đại năng lượng của các photon. Một cách được gọi là nhiệt hóa. Trong quá trình này, các photon năng lượng thấp làm nóng khí xung quanh. Ở nhiệt độ cao hơn, bản thân khí phát ra bức xạ có đủ loại năng lượng, bao gồm cả năng lượng tia cực tím cần thiết để phân tách hydro phân tử.
Một khả năng khác là sự nhiễu loạn bên trong các đám mây khí đóng vai trò nhất định. Sự nhiễu loạn có thể khuếch đại các nhiễu loạn quy mô nhỏ thành nhiễu loạn quy mô lớn và cũng tạo ra một con đường để bức xạ năng lượng thấp tăng lên thành bức xạ năng lượng cao.
Các câu chuyện liên quan:
—Liệu vật chất tối có giúp các lỗ đen phát triển đến kích thước quái vật trong vũ trụ sơ khai không?
—Vật chất tối được tạo thành từ gì? Nghiên cứu mới củng cố trường hợp của các lỗ đen 'nguyên thủy'
—Các lỗ đen siêu lớn trong các thiên hà 'chấm đỏ nhỏ' lớn hơn 1.000 lần so với kích thước thực tế và các nhà thiên văn học không biết tại sao
Các nhà thiên văn học và vật lý học từ lâu đã tìm kiếm vật chất tối siêu nhẹ, nhưng họ vẫn chưa tìm thấy bất kỳ bằng chứng trực tiếp nào về nó. Điều này đặt ra những hạn chế nghiêm ngặt về khối lượng của các hạt đó và hiệu quả chuyển đổi vật chất tối thành photon.
Thật đáng kinh ngạc, mặc dù công trình này mới chỉ ở giai đoạn đầu, nhóm nghiên cứu đã đưa mọi thứ vào hoạt động trong các mô hình của họ. Nếu họ lấp đầy vũ trụ sơ khai bằng vật chất tối siêu nhẹ trong khi vẫn tôn trọng các giới hạn về khối lượng và hiệu suất, họ có thể tạo ra đủ bức xạ UV để giữ cho các đám mây khí ấm và ngăn chúng phân mảnh. Điều này cho phép các đám mây sụp đổ trực tiếp vào hạt giống của các hố đen lớn nhất.
Công trình này vẫn còn sơ bộ và chưa được bình duyệt ngang hàng. Một bước quan trọng tiếp theo sẽ là xem ý tưởng này có hiệu quả như thế nào trong các mô phỏng thực tế hơn về vũ trụ sơ khai. Lưu ý, các nhà nghiên cứu khác cũng đã đề xuất vật chất tối như một phần của sự phát triển của hố đen trong vũ trụ sơ khai, vì vậy chúng ta có thể sớm thấy nhiều cuộc thảo luận hơn về chủ đề này.
Ai mà biết được vật chất tối có thể hữu ích đến vậy?
Nhiều quan sát hơn, đặc biệt là với Kính viễn vọng không gian James Webb, đang tiết lộ những lỗ đen thực sự khổng lồ xuất hiện trong vũ trụ tương đối trẻ. Chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ nổ lớn, có vẻ như vũ trụ của chúng ta đã là nơi sinh sống của các lỗ đen có khối lượng lớn hơn mặt trời hàng tỷ lần.
Cách duy nhất được biết đến để tạo ra lỗ đen là thông qua cái chết của các ngôi sao khổng lồ, nhưng quá trình đó tạo ra các lỗ đen có khối lượng bằng vài chục khối lượng mặt trời. Vấn đề với sự xuất hiện sớm của các hố đen khổng lồ là đơn giản là không có đủ thời gian để các ngôi sao đầu tiên xuất hiện, chết đi, và sau đó các hố đen nhỏ đó tiêu thụ đủ vật chất để đạt đến trạng thái siêu khối lượng.
Vì vậy, có lẽ vũ trụ sơ khai có một số cách khác để tạo ra các hố đen lớn, khởi động quá trình này. Cách dễ nhất để thực hiện điều đó là lấy các đám mây hydro và heli lớn và để chúng tự sụp đổ, bỏ qua hoàn toàn quá trình hình thành các ngôi sao và đi thẳng đến quá trình hình thành hố đen.
Nhưng các đám mây khí sụp đổ có xu hướng hình thành hydro phân tử, rất hiệu quả trong việc làm mát khí. Thay vì dẫn đến sự sụp đổ, điều này khiến đám mây phân mảnh thành nhiều mảnh nhỏ hơn, tạo ra một cụm các ngôi sao mới sinh và ngăn chặn sự sụp đổ trực tiếp thành một hố đen. Một cách để tránh sự hình thành hydro phân tử là bắn phá nó bằng bức xạ cực tím (UV) năng lượng cao, vốn khan hiếm trong vũ trụ sơ khai, vì các ngôi sao vẫn chưa hình thành.
Trong một bài báo mới được tải lên cơ sở dữ liệu bản in trước arXiv vào tháng 3, Hao Jiao thuộc Đại học McGill ở Quebec và các đồng nghiệp đã đề xuất một giải pháp không chính thống: vật chất tối.
Một số mô hình vật chất tối dự đoán rằng nó cực kỳ nhẹ, thậm chí nhẹ hơn hàng tỷ lần so với neutrino, hạt nhẹ nhất được biết đến. Nếu vật chất tối siêu nhẹ, thì ở quy mô thiên hà, nó hoạt động giống như một đại dương lượng tử hơn là một tổ ong gồm các hạt rời rạc.
Những đại dương vật chất tối chứa mọi thiên hà này có thể hỗ trợ sóng, giống như các đại dương nước, tương ứng với các vùng có mật độ vật chất tối cao hơn.
Điều thú vị là vật chất tối siêu nhẹ có thể biến thành photon (ánh sáng) — và thông qua quá trình này, nhóm nghiên cứu hy vọng có thể loại bỏ hydro phân tử và cho phép các đám mây khí sụp đổ thành các lỗ đen khổng lồ.
Trong vũ trụ sơ khai, các thiên hà như chúng ta biết vẫn chưa hình thành. Thay vào đó, chúng chỉ là những cục hydro và heli được nhúng trong một biển vật chất tối. Nhưng vì đại dương vật chất tối có thể hỗ trợ sóng, nên các túi mật độ cao có thể xuất hiện. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng có một cơ chế phản hồi giữa các sóng vật chất tối và các đám mây khí, dẫn đến một hiện tượng được gọi là cộng hưởng — các sóng chỉ tiếp tục khuếch đại lên các năng lượng ngày càng cao hơn.
Khi cộng hưởng tăng lên, các vùng có mật độ vật chất tối cao sẽ chuyển đổi thành các photon, tạo ra một luồng ánh sáng trong vũ trụ trước khi các ngôi sao đầu tiên xuất hiện.
Nhưng có một vấn đề: Các photon đó có năng lượng quá thấp để có thể phân tách hydro phân tử.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng để quá trình này diễn ra, phải có một bước khác để khuếch đại năng lượng của các photon. Một cách được gọi là nhiệt hóa. Trong quá trình này, các photon năng lượng thấp làm nóng khí xung quanh. Ở nhiệt độ cao hơn, bản thân khí phát ra bức xạ có đủ loại năng lượng, bao gồm cả năng lượng tia cực tím cần thiết để phân tách hydro phân tử.
Một khả năng khác là sự nhiễu loạn bên trong các đám mây khí đóng vai trò nhất định. Sự nhiễu loạn có thể khuếch đại các nhiễu loạn quy mô nhỏ thành nhiễu loạn quy mô lớn và cũng tạo ra một con đường để bức xạ năng lượng thấp tăng lên thành bức xạ năng lượng cao.
Các câu chuyện liên quan:
—Liệu vật chất tối có giúp các lỗ đen phát triển đến kích thước quái vật trong vũ trụ sơ khai không?
—Vật chất tối được tạo thành từ gì? Nghiên cứu mới củng cố trường hợp của các lỗ đen 'nguyên thủy'
—Các lỗ đen siêu lớn trong các thiên hà 'chấm đỏ nhỏ' lớn hơn 1.000 lần so với kích thước thực tế và các nhà thiên văn học không biết tại sao
Các nhà thiên văn học và vật lý học từ lâu đã tìm kiếm vật chất tối siêu nhẹ, nhưng họ vẫn chưa tìm thấy bất kỳ bằng chứng trực tiếp nào về nó. Điều này đặt ra những hạn chế nghiêm ngặt về khối lượng của các hạt đó và hiệu quả chuyển đổi vật chất tối thành photon.
Thật đáng kinh ngạc, mặc dù công trình này mới chỉ ở giai đoạn đầu, nhóm nghiên cứu đã đưa mọi thứ vào hoạt động trong các mô hình của họ. Nếu họ lấp đầy vũ trụ sơ khai bằng vật chất tối siêu nhẹ trong khi vẫn tôn trọng các giới hạn về khối lượng và hiệu suất, họ có thể tạo ra đủ bức xạ UV để giữ cho các đám mây khí ấm và ngăn chúng phân mảnh. Điều này cho phép các đám mây sụp đổ trực tiếp vào hạt giống của các hố đen lớn nhất.
Công trình này vẫn còn sơ bộ và chưa được bình duyệt ngang hàng. Một bước quan trọng tiếp theo sẽ là xem ý tưởng này có hiệu quả như thế nào trong các mô phỏng thực tế hơn về vũ trụ sơ khai. Lưu ý, các nhà nghiên cứu khác cũng đã đề xuất vật chất tối như một phần của sự phát triển của hố đen trong vũ trụ sơ khai, vì vậy chúng ta có thể sớm thấy nhiều cuộc thảo luận hơn về chủ đề này.
Ai mà biết được vật chất tối có thể hữu ích đến vậy?
