Lỗ đen không phải lúc nào cũng to lớn, khổng lồ. Người ta tin có tồn tại một loại lỗ đen khác – lỗ đen nguyên thủy hay lỗ đen ban sơ (primordial or primitive black hole – PBHs) – có nguồn gốc khác với các lỗ đen khác, được hình thành trong thời vũ trụ sơ khai thông qua sự suy sụp hấp dẫn của các vùng cực kỳ dày đặc. (Nguồn: pixabay.com)
Một trong những dự đoán hấp dẫn nhất trong thuyết tương đối (general theory of relativity) của Einstein là sự tồn tại của lỗ đen (hay còn gọi là hố đen): các vật thể thiên văn có trường hấp dẫn mạnh đến mức ánh sáng cũng không thể thoát ra khỏi chúng.
Khi một ngôi sao có kích thước đủ lớn và bị hết nhiên liệu, nó sẽ phát nổ và phần lõi còn lại sụp đổ, dẫn đến sự hình thành của một hố đen sao (stellar black hole – có khối lượng từ 3 đến 100 lần khối lượng Mặt Trời).
Hầu hết các thiên hà đều có các hố đen siêu lớn tồn tại ở trung tâm. Đây là loại lỗ đen lớn nhất, có khối lượng lớn hơn Mặt Trời của chúng ta từ một trăm ngàn cho đến mười tỷ lần.
Cho đến nay, các nhà thiên văn học đã chụp được hình ảnh của hai hố đen siêu lớn: một cái ở trung tâm thiên hà M87 và hố đen mới nhất ở Dải Ngân Hà của chúng ta (Sagittarius A*). Hình ảnh so sánh kích thước giữa hai hố đen khổng lồ này:
Tuy nhiên, lỗ đen không phải lúc nào cũng to lớn, người ta tin có tồn tại một loại lỗ đen khác – lỗ đen nguyên thủy hay lỗ đen ban sơ (primordial or primitive black hole – PBHs). Chúng có nguồn gốc khác với các lỗ đen khác, được hình thành trong thời vũ trụ sơ khai thông qua sự suy sụp hấp dẫn của các vùng cực kỳ dày đặc.
Về mặt lý thuyết, những lỗ đen nguyên thủy này có thể sở hữu bất kỳ khối lượng nào và có thể có kích thước từ một hạt hạ nguyên tử (subatomic particle) cho đến vài trăm km. Thí dụ, một PBH có khối lượng tương đương với núi Everest nhưng lại có kích thước chỉ bằng một hạt nguyên tử.
Những lỗ đen nhỏ bé này bị mất khối lượng nhanh hơn so với các lỗ đen khổng lồ, phát ra bức xạ Hawking cho đến khi chúng bốc hơi hoàn toàn.
Cho đến nay, các nhà thiên văn học vẫn chưa thể quan sát được các PBH. Đây là một chủ đề người ta vẫn đang nghiên cứu bởi vì có giả thiết cho rằng những vật thể siêu nhỏ này có thể là một phần của vật chất tối của vũ trụ mà chúng ta tìm kiếm bấy lâu.
Trong một nghiên cứu mới, các nhà thiên văn học đã thử đưa ra một kịch bản khác để phát hiện các lỗ đen nguyên thủy có kích thước nguyên tử. Nghiên cứu này tìm hiểu về tín hiệu đặc trưng của sự tương tác giữa một trong những lỗ đen siêu nhỏ và một trong những vật thể dày đặc nhất trong vũ trụ (một ngôi sao neutron).
Trước khi nói tiếp về mô hình vật lý thiên văn mới này, chúng ta cần hiểu sơ về các đặc điểm chính của những ngôi sao neutron.
Một trong những vật thể đặc nhất trong vũ trụ
Như đã đề cập trước đây, khi một ngôi sao khổng lồ hết nhiên liệu, nó sẽ phát nổ và phần lõi của nó sụp đổ, tạo ra một hố đen sao. Cần phải nhấn mạnh rằng không phải mọi trường hợp đều xảy ra theo kịch bản này. Thí dụ, nếu phần lõi đang sụp có khối lượng nhỏ hơn khoảng ba lần khối lượng Mặt Trời, thì nó hình thành một sao neutron.
Đây là những vật thể rất nhỏ và cực kỳ dày đặc. Để dễ hình dung, hãy thử tưởng tượng một ngôi sao có khối lượng lớn hơn Mặt Trời 1.5 lần bị nén thành một quả cầu có đường kính chỉ 20 km (tương đương kích thước của đảo Manhattan).
Mật độ của sao neutron cực kỳ cao: một muỗng canh vật chất sao sẽ nặng tới hàng triệu tấn!
Các sao neutron trẻ nhất thuộc về một phân lớp gọi là sao xung (pulsar). Chúng quay với vận tốc rất cao (thậm chí còn nhanh hơn cả máy xay sinh tố). Những ngôi sao xung này phát ra bức xạ dưới dạng chùm tia hẹp đến Trái Đất theo định kỳ.
Theo thời gian, chúng nguội dần và mất đi tốc độ quay, rất khó phát hiện (chỉ có thể quan sát được những sao xung có mức năng lượng cao nhất).
Sự tương tác của PBH có kích thước nguyên tử với một ngôi sao neutron
Các lỗ đen nguyên thủy có thể nằm ở các vùng thiên hà nơi tập trung vật chất tối cao một cách đáng kể. Do đó, chúng có thể đi lang thang trong vũ trụ (di chuyển với tốc độ và phương hướng khác nhau) để rồi tương tác với các vật thể khác (chẳng hạn như lỗ đen hoặc sao neutron).
Điều này có nghĩa là, một PBH cỡ nguyên tử có thể gặp phải một ngôi sao neutron già cỗi (đã rất nguội và mất gần hết vận tốc quay). Theo nghiên cứu mới, tần suất của những cuộc gặp gỡ này sẽ vào khoảng 20 sự kiện mỗi năm. Tuy nhiên, hầu hết các cuộc gặp gỡ kiểu này đều sẽ khó quan sát (do khoảng cách quá lớn và phương hướng quan sát từ Trái Đất khó khăn).
Chúng ta sẽ xem xét hai kịch bản có thể xảy ra: thứ nhất, khi PBH bị sao neutron ‘bắt’ lại và thứ hai, khi lỗ đen siêu nhỏ từ khoảng cách xa tiến vào, ‘đảo’ một vòng xung quanh sao neutron và sau đó đi ra (đường đi của nó vẽ thành hình “vô cực,” kịch bản này được gọi là sự kiện tán xạ - scattering event). Quý vị có thể xem hình ảnh bên dưới để dễ hình dung ra sự kiện tán xạ:
Tùy thuộc vào quỹ đạo (bắt lại hoặc tán xạ), nó sẽ tạo ra một tín hiệu đặc trưng và duy nhất, được gọi là vụ nổ tia gamma (GRB). GRB có lẽ là một trong những sự kiện tràn trề năng lượng nhất trong vũ trụ.
Một dạng GRB cụ thể
Những sự kiện nhất thời và tràn đầy năng lượng này diễn ra trong vài mili giây đến vài giờ, và nguồn của chúng nằm cách Trái Đất hàng tỷ năm ánh sáng. Một lượng lớn năng lượng được giải phóng dưới dạng các chùm tia rất hẹp.
Các vụ nổ GRB ngắn hơn được gây ra bởi sự hợp nhất của các sao neutron hoặc lỗ đen, trong khi các vụ nổ dài hơn có nguồn gốc từ cái chết của các ngôi sao khổng lồ (còn gọi là siêu tân tinh).
Trong trường hợp cụ thể mà chúng ta đang nói tới, GRB có thời lượng khoảng 35 giây, với một tình trạng cũng rất cụ thể: phát xạ đều và bền vững, sau đó là sự giảm đột ngột và nhanh chóng chỉ trong vài phần trăm giây.
Phát hiện PBH kích thước nguyên tử: nhiệm vụ bất khả thi?
Đây không phải là một câu hỏi dễ trả lời, bởi vì việc tìm kiếm các lỗ đen nhỏ như vậy là rất phức tạp.
Tuy nhiên, nếu có thể đo một GRB bằng viễn vọng kính hiện đại (và phù hợp với dấu hiệu được báo cáo trong nghiên cứu này), thì có thể lập luận rằng một cuộc gặp gỡ giữa PBH nguyên thủy – sao neutron đã xảy ra trong Vũ trụ sơ khai.
Nói cách khác, nó sẽ cung cấp bằng chứng thực nghiệm về những lỗ đen nguyên thủy siêu tí hon, một trong những dự đoán cơ bản của Stephen Hawking.
Đó sẽ không phải là một nhiệm vụ dễ dàng (có thể chúng ta sẽ chẳng bao giờ tìm ra những vụ GRB này), nhưng cũng không có gì là chắc chắn 100%: thời gian sẽ trả lời.
Việt Báo phỏng dịch theo bài viết “How could we detect atom-sized primordial black holes?” của Oscar del Barco Novillo, được đăng trên trang TheConversation.
Gửi ý kiến của bạn
