Dựa trên học thuyết của Stephen Hawking, giới khoa học tìm được lỗ đen mới, có thể giải thích được vật chất tối

Nghiên cứu mới cho thấy vật chất tối có thể là những lỗ đen hình thành ở 1/1.000.000.000.000.000.000 giây (một phần một tỷ tỷ giây) đầu tiên sau sự kiện Big Bang.

Trong suốt 50 năm nay, bên trong cộng đồng khoa học vẫn tồn tại một vấn đề hóc búa chưa có lời giải đáp: lượng vật chất nhìn thấy được trong vũ trụ chưa đủ.

Những thứ “vật chất nhìn thấy được” ở đây bao gồm sao, hành tinh, bụi vũ trụ và tất cả những thiên thể lớn nhỏ khác. Tương tác giữa chúng và tương tác của chúng với môi trường chưa đủ để giải thích được cách vũ trụ vận hành. Theo NASA, lượng vật chất phải nhiều gấp khoảng 5 lần nữa để các quan sát có nghĩa. 

Phần còn thiếu đang được giới khoa học gọi là vật chất tối, bởi lẽ nó vô hình và không tương tác với ánh sáng.

Hình minh họa vật chất tối liên kết mọi thứ trong vũ trụ - (Ảnh: NASA).

Thập niên 70, hai nhà thiên văn học người Mỹ là Vera Rubin và W. Kent Ford khẳng định sự tồn tại của vật chất tối khi quan sát rìa của một loạt những thiên hà xoắn ốc. Họ thấy rằng những ngôi sao nơi đây đang di chuyển với tốc độ quá nhanh, đến mức đáng lẽ chúng đã bị xé toạc thành từng mảnh; lực hấp dẫn và vật chất có trong khu vực không thể giữ cho những ngôi sao này nguyên vẹn.

Thế nhưng, những ngôi sao vẫn tỏa sáng bình thường. Điều đó cho thấy trong không gian tồn tại một loại vật chất vô hình, giữ cho thiên hà này liên kết được với nhau.

“Những gì quan sát được tại một thiên hà xoắn ốc không phải những gì chúng ta có thể luận ra được”, nhà thiên văn học Vera Rubin nói vào thời điểm bấy giờ. Bà đã xây dựng công trình nghiên cứu dựng dựa trên giả thuyết được đề xuất trong thập niên 30 của nhà thiên văn học Thụy Sĩ Fritz Zwicky, và đồng thời khởi động một cuộc tìm kiếm vật chất bí ẩn trong giới khoa học.

Từ đó tới nay, các nhà nghiên cứu nỗ lực tìm cách quan sát vật chất tối, thậm chí thiết kế nên những cỗ máy khổng lồ nhằm phát hiện ra thứ vật chất khó tìm. Thế nhưng vẫn vô hiệu.

Trong những buổi đầu kiếm tìm vật chất tối, nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking cho rằng vật chất tối có thể ẩn mình trong những lỗ đen hình thành trong giai đoạn Big Bang. Ông đã dành cả sự nghiệp để nghiên cứu lỗ đen và đưa ra nhiều học thuyết có ảnh hưởng lớn tới nền vật lý, duy chỉ có vật chất tối vẫn lảng tránh bộ óc tinh tường của Hawking.

Cỗ máy thuộc dự án phát hiện vật chất tối LZ Dark Matter - (Ảnh: The LZ Dark Matter).

Nhưng trong một nghiên cứu mới được thực hiện bởi Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), các nhà khoa học đã phân tích thuyết cũ bằng góc nhìn hiện đại, cho thấy thành phần cấu tạo những lỗ đen nguyên thủy, đồng thời cho thấy khả năng tồn tại một loại lỗ đen hoàn toàn mới.

“Chúng tôi tận dụng những tính toán trứ danh của Stephen Hawking về lỗ đen, nhất là những kết quả của ông về bức xạ tỏa ra từ chúng”, David Kaiser, một trong các tác giả nghiên cứu, nói. “Những lỗ đen lộ diện khi [chúng tôi] cố gắng giải bài toán vật chất tối - chúng là phụ phẩm của việc giải thích sự tồn tại của vật chất tối”.

Một phần tỷ tỷ của giây đầu tiên

Từ khi khái niệm “vật chất tối” thành hình, giới khoa học đã đặt ra nhiều giả thuyết về bản chất của nó, từ hạt chưa được biết đến cho tới một chiều không gian khác. Nhưng phải đến giai đoạn gần đây, học thuyết về lỗ đen của Stephen Hawking mới được đưa ra bàn luận.

“Người ta không để thực sự để tâm tới nó cho tới khoảng 10 năm trước”, đồng tác giả nghiên cứu, Elba Alonso-Monsalve cho hay. “Đó là vì lỗ đen vốn trốn rất kỹ - trong buổi đầu thế kỷ 20, người ta ngỡ nó là một sự thực thú vị về toán học, chứ không phải một thực thể vật lý”.

Giờ đây, chúng ta biết trung tâm của hầu hết các thiên hà đều chứa một lỗ đen, các thiết bị tiên tiến còn phát hiện ra cả sóng hấp dẫn sinh ra từ vụ va chạm của các lỗ đen. Những bằng chứng này cho thấy lỗ đen có thực, có rất nhiều ở vũ trụ ngoài kia.

Tấm ảnh lỗ đen đầu tiên - (Ảnh: NASA).

“Thực tế, vũ trụ đầy ắp lỗ đen”, Alonso-Monsalve nói. “Nhưng hạt vật chất tối thì vẫn chưa thấy đâu, ngay cả khi người ta tìm những chỗ đáng lẽ phải có. Tôi nói điều này không phải để bác bỏ việc vật chất tối là hạt, hay chắc chắn vật chất tối có trong lỗ đen. Có thể cả hai đều đúng. Nhưng giờ, thì khả năng lỗ đen là vật chất tối đang được cân nhắc là khả thi”.

Trong một nghiên cứu khác mới được đăng tải gần đây, kết quả cho thấy giả thuyết của Hawking có vẻ hợp lý. Tuy vậy, công trình nghiên cứu của Alonso-Monsalve và giáo sư David Kaiser tiến một bước xa hơn, nghiên cứu của họ tìm hiểu chính xác chuyện gì xảy ra khi lỗ đen nguyên thủy hình thành.

Nghiên cứu được xuất bản đầu tháng 6 vừa qua trên Physical Review Letters, kết quả cho thấy lỗ đen nguyên thủy chắc hẳn đã hình thành ở 1/1.000.000.000.000.000.000 giây (một phần một tỷ tỷ giây) đầu tiên của sự kiện Big Bang. “Chúng hình thành từ rất, rất sớm, trước cả thời điểm mà proton và neutron, những hạt cấu thành nên vạn vật, hình thành”, nhà nghiên cứu Alonso-Monsalve nói.

Trong thế giới thường nhật, chúng ta không thể thấy proton và neutron tồn tại độc lập. Bên cạnh đó, chúng được tạo thành từ những hạt còn nhỏ hơn nữa là hạt quark, được liên kết với nhau bằng các hạt có tên gluon.

• Giải mã bí ẩn về vật chất tối
• Vật chất tối - yếu tố bí ẩn cấu tạo nên vũ trụ
• Xác định kích thước thiên hà qua vật chất tối