Lý thuyết về việc vật chất tối có thể tạo thành từ một phần của các lỗ đen nguyên thủy có kích thước khoảng milimet đã bị loại bỏ bởi một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Viện nghiên cứu Kavli về Vật lý và Toán học Vũ trụ (Kavli IPMU).

Tiên Nữ (Andromeda) là thiên hà gần chúng ta nhất, cách 2,5 triệu năm ánh sáng. Credit: HSC Project / NAOJ.

Vào năm 1974, nhà Vật Lý Stephen Hawking đã mô tả cách để các lỗ đen nguyên thủy có thể được tạo thành trong một phần giây sau vụ nổ Big Bang. Các lỗ đen nguyên thủy có khối lượng trong khoảng từ một đốm nhỏ tí hon đến gấp 100,000 lần khối lượng Mặt Trời của chúng ta. Trái lại, lỗ đen siêu khối lượng được phát hiện bởi những quan sát thiên văn được bắt đầu hình thành ít nhất vài trăm nghìn năm sau Big Bang và lớn gấp triệu hoặc tỷ lần so với Mặt Trời của chúng ta. Bởi vì các lỗ đen nguyên thủy với kích thước bất kỳ vẫn chưa được phát hiện, chúng là ứng cử viên sáng giá cho việc giải thích sự tồn tại của vật chất tối.

Theo như chúng ta biết, vật chất dạng baryon chỉ chiếm khoảng 5 phần trăm trong tổng số vật chất trong vũ trụ. Phần còn lại là vật chất tới (27 phần trăm) hoặc năng lượng tối (68 phần trăm), cả hai hiện vẫn chưa thể phát hiện mọt cách trực tiếp. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu tự tin rằng vật chất tối tồn tại bởi chúng ta có thể nhìn thấy ảnh hưởng chúng trong vũ trụ. Nếu không có lực hấp dẫn bởi vật chất tối, các ngôi sao trong Dải Ngân Hà sẽ dần xa nhau ra.

Để kiểm chứng lý thuyết về các lỗ đen nguyên thủy có phải là vật chất tối hay không, đặc biệt là các lỗ đen có khối lượng bằng Mặt Trăng hoặc nhẹ hơn, các nhà khoa học Masahiro Takada, Naoki Yasuda, Hiroko Niikura thuộc nhóm nghiên cứu Kavli IPMU và các cộng sự khác từ Nhật Bản, Ấn Độ và Hoa Kì đã tìm kiếm những lỗ đen tí hon nằm giữa Trái Đất và thiên hà Andromeda, thiên hà gần nhất với Ngân Hà, cách chúng ta khoảng 2.5 triệu năm ánh sáng.

Dữ liệu từ ngôi sao cho thấy các đặc điểm được phóng đại bởi một thấu kính hấp dẫn tiềm năng, có thể là do một lỗ đen nguyên thủy. Khoảng 4 giờ sau khi Kính viễn vọng Subaru bắt đầu thu thập dữ liệu, một ngôi sao bắt đầu sáng hơn. Chưa đầy một giờ sau, ngôi sao đạt độ sáng cực đại trước khi trở nên mờ hơn. (Từ trái sang phải) hình ảnh gốc, hình ảnh lúc ngôi sao sáng, hình ảnh chênh lệch độ sáng và hình ảnh nền còn lại. Ảnh: Niikura và cộng sự.

“Điều khiến chúng tôi thích thú trong dự án này là sự ảnh hưởng lớn lao trong việc khám phá bản chất tự nhiên của vật chất tối” theo Niikura. “Việc khám phá lỗ đen nguyên thủy sẽ là thành công mang tính lịch sử. Kết quả âm tính cũng sẽ là thông tin quý giá cho các nhà nghiên cứu ghép lại viễn cảnh vũ trụ đã bắt đầu như thế nào.”

Để tìm kiếm lỗ đen, nhóm nghiên cứu đã tận dụng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn. Thấu kính hấp dẫn lần đầu tiên được giải thích bởi Albert Einstein, người đã cho rằng có khả năng một bức ảnh của một vật thể xa xôi, chẳng hạn như một ngôi sao, bị méo mó bởi ảnh hưởng của lực hấp dẫn của những vật thể lớn nằm giữa ngôi sao đó và Trái Đất. Trọng lực của vật thể lớn có thể hành xử như một thấu kính phóng đại, bẻ cong ánh sáng của ngôi sao và làm cho nó trông sáng hơn hoặc bị méo mó đối với người quan sát trên Trái Đất.

Bởi vì ngôi sao, lỗ đen và Trái Đất luôn chuyển động trong không gian liên sao, một ngôi sao sẽ dần dần trở nên sáng hơn, sau đó mờ hơn từ góc nhìn Trái Đất, trong lúc nó di chuyển qua đường đi của thấu kính hấp dẫn. Vì thế các nhà nghiên cứu chụp liên tiếp 190 bức ảnh trên toàn bộ thiên hà Andromeda, nhờ vào Máy Ảnh Hyper Suprime của kính thiên văn Subaru tại Hawaii. Nếu vật chất tối được cấu thành từ những lỗ đen nguyên thủy có khối lượng nhẹ hơn hoặc bằng Mặt Trăng, và trong trường hợp đó, các nhà nghiên cứu kỳ vọng đợi sẽ phát hiện lên đến 1000 thấu kính hấp dẫn kích thước micro. Họ tính toán ước lượng bằng việc coi vật chất tối trong toàn bộ tán thiên hà được cấu thành bởi lỗ đen nguyên thủy, và cân nhắc việc những ngôi sao trong thiên hà Andromeda có thể bị ảnh hưởng bởi một lỗ đen nguyên thủy, và cuối cùng khả năng của thiết bị chụp một sự kiện thấu kính hấp dẫn kích thước micro.

Kính thiên văn đã chụp khoảng 90 triệu ngôi sao. Đội ngũ nghiên cứu đã mất khoảng 2 năm để sàng lọc tất cả dữ liệu từ nhiễu và các sự kiện không là thấu kính hấp dẫn. Sau cùng, họ chỉ có thể xác định đúng một ngôi sao tỏa sáng sau đó mờ dần - gợi ý khả năng đây là một lỗ đen nguyên thủy - nghĩa là không chắc chắn nó được cấu thành từ vật chất tối.

Ngay cả như vậy, Niikura giải thích rằng vẫn còn nhiều điều cần hiểu về những lỗ đen nguyên thủy. Nhóm nghiên cứu chỉ loại bỏ lý thuyết về khối lượng đặc biệt: lỗ đen có khối lượng nhỏ hơn hoặc bằng mặt trăng. Các nghiên cứu trước đây đã loại bỏ các loại khối lượng khác, hoặc cách chúng góp phần vào sự hiện diện của vật chất tối. Tuy nhiên vẫn còn cơ hội rằng lỗ đen nguyên thủy ở nhiều kích thước khác nhau vẫn đang ở đâu đó ngoài kia. Các phân tích tiếp cận được phát triển bởi nhóm Kavli có thể sử dụng cho các nghiên cứu về lỗ đen nguyên thủy trong tương lai, bao gồm nỗ lực xác định liệu lỗ đen được khám phá bởi Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế (LIGO) tại Hoa Kì có thể là lỗ đen nguyên thủy hay không.

Tham khảo

Author: Trương Lê Gia Bảo
Sinh viên cử nhân ngành Kỹ thuật Không gian, trường Đại học Quốc tế, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (HCMIU).


Bài viết xem nhiều