Thứ tư, 10/08/2016 - 06:38

Các hố đen của LIGO có thể là vật chất tối

Dân trí

Các hố đen tạo ra các sóng hấp dẫn được phát hiện đầu tiên có thể có nguồn gốc ngoại lai trong vũ trụ sơ khai. Khi aLIGO thoáng thấy sóng hấp dẫn từ hai lỗ đen đang hợp nhất, các nhà khoa học đã hết sức ngạc nhiên về độ lớn của các lỗ đen này – khoảng 30 lần khối lượng mặt trời.

Lấy cảm hứng từ phát hiện bất thường này, hai bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters đề xuất rằng các lỗ đen khổng lồ đó đã được sinh ra trong giai đoạn trứng nước của vũ trụ.

Hình ảnh hai hố đen hợp nhất (Ảnh: the Simulating eXtreme Spacetimes – SXS project)
Hình ảnh hai hố đen hợp nhất (Ảnh: the Simulating eXtreme Spacetimes – SXS project)

Không giống với các lỗ đen bình thường được hình thành khi các ngôi sao sụp đổ, một số giả thiết cho rằng những hố đen nguyên thủy như thế này có thể đã được hình thành khi những khu vực có vật chất dày đặc của vũ trụ từ rất xa xưa bị sụp đổ bởi chính lực hấp dẫn của chính chúng. Nếu những giả thiết này tồn tại, những hố đen nguyên thủy cũng có thể giải quyết một câu đố khác: bản chất của vật chất tối, vật chất không rõ nguồn gốc trong vũ trụ giúp giữ các thiên hà và cụm thiên hà lại với nhau. Điều này đã đưa ra một ý tưởng về việc các hố đen nguyên thủy có thể bổ sung cho lượng vật chất khuyết thiếu của vũ trụ, và ý tưởng này chống lại một học thuyết nổi tiếng hơn là vật chất tối được tạo thành từ các hạt chưa được phát hiện.

LIGO là tên viết tắt của Laser Interferometer Gravitational – Wave Observatory, có nghĩa là Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser. Giai đoạn hoạt động đầu tiên của LIGO kéo dài trong 9 năm từ 2001 đến 2010 mà không có một phát hiện về sóng hấp dẫn trong không gian nào. LIGO đã bắt đầu được nâng cấp từ năm 2008 để chuẩn bị cho giai đoạn hoạt động thứ hai, gọi là Advanced LIGO hay aLIGO. Việc thiết kế lại, xây dựng, chuẩn bị, và lắp đặt Advanced LIGO đã kéo dài trong 7 năm – từ 2008 tới 2015. Ngày 11/2/2016, LIGO đã công bố phát hiện đầu tiên về việc hai hố đen hợp nhất – sự kiện đã xảy ra khoảng 1,3 tỉ năm trước.

Ngày 2/8, một nhóm nghiên cứu gồm các nhà vật lý thiên văn từ Nhật Bản đã báo cáo rằng các lỗ đen của LIGO có thể là nguyên thủy, và rằng, nếu như vậy thì chúng có thể bổ sung một vài phần cho vật chất tối của vũ trụ. Ngày 19/5, các nhà khoa học của trường Đại học Johns Hopkins đã thông báo rằng tỷ lệ của các vụ sáp nhật hố đen do LIGO ước tính phù hợp với đòi hỏi từ các vật chất tối của lỗ đen nguyên thủy.

Nhà vật lý thiên văn Simeon Bird và các đồng nghiệp của ông ở Đại học Hopkins đã tự hỏi liệu các lỗ đen của LIGO có lớn hơn khối lượng dự kiến không. Bird đã thốt lên “Chúa ơi – thật quá bất ngờ - nó còn có thể là điều gì khác nữa?”. Các nghiên cứu trước đây đã loại trừ việc vật chất tối của các lỗ đen nguyên thủy ở khắp nơi, mà chỉ ở một phạm vi vật chất hẹp. Nhưng phạm vi cho phép đó đã xảy ra trùng lặp với vật chất của các lỗ đen mà LIGO tìm thấy.

Dựa trên những hiểu biết của các nhà khoa học về thuộc tính của vật chất tối, Bird và các đồng nghiệp đã ước tính mức độ thường xuyên mà LIGO có thể hy vọng được nhìn thấy sự sát nhập của các lỗ đen nguyên thủy, nếu giả sử chúng là nguồn gốc của vật chất tối. Tỷ lệ này phù hợp với tỷ lệ phát hiện mà LIGO đã ước tính, được lập ra bằng cách giả sử một sự sát nhập lỗ đen lớn mà LIGO bất ngờ phát hiện cho đến nay không phải là một sự may mắn. Mặc dù cả hai ước tính này đều có những sai số lớn, sự đồng thuận của chỉ ra rằng vật chất tối có thể bao gồm các hố đen nguyên thủy.

Các hố đen LIGO phát hiện có thể là vật chất tối, dưới hình thức của các hố đen nguyên thủy được hình thành trong vụ trụ sơ khai
Các hố đen LIGO phát hiện có thể là vật chất tối, dưới hình thức của các hố đen nguyên thủy được hình thành trong vụ trụ sơ khai

Tương tự như vậy, nhóm nghiên cứu của Nhật Bản báo cáo rằng LIGO có thể đã phát hiện ra các hố đen nguyên thủy. Nhưng các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng những hố đen nguyên thủy như vậy chỉ có thể giải thích cho một phần nhỏ của vật chất tối. Chung quy lại, sự chênh lệch này chính là các giả định khác nhau về cách các hố đen nguyên thủy ghép đôi thành một cặp với nhau trước khi sát nhập.

Nhà vật lý thiên văn Misao Sasaki từ Đại học Kyoto, Nhật Bản cho biết “Điều quan trọng là việc này có thể kiểm tra được”. Những dữ liệu khác từ LIGO hoặc các nghiên cứu sâu hơn về nền vi sóng vũ trụ - ánh sáng tàn dư từ hậu quả của vụ nổ Big Bang – có thể loại trừ các hố đen nguyên thủy là một khả năng. Nhà khoa học của LiGO – Chad Hanna, từ Đại học Penn State - cho biết: “Để hiểu rõ hơn về các hố đen của LIGO, chúng ta cần phải phát hiện được nhiều hơn nữa”. (Theo thông tin được công bố ngày 9/7, LIGO cũng đã phát hiện một cuộc sát nhập hố đen thứ hai, nhưng những hố đen này nhỏ hơn, điều này chỉ ra rằng chúng được hình thành từ các ngôi sao)

Cuối cùng, ông Bernard Carr từ Đại học Queen Mary, London cho biết những dấu hiệu không dễ phát hiện của các lỗ đen nguyên thủy có thể xuất hiện trong các dữ liệu sóng hấp dẫn. Độ lệch tâm của quỹ đạo của các hố đen quanh một hố đen khác – đường đi hình elip của chúng như thế nào – có thể cho biết các hố đen có phải là nguyên thủy không, hay chỉ là các hố đen tiêu chuẩn. Ông nói “Tôi sẽ thấy thú vị hơn một chút nếu hóa ra chúng là những hố đen nguyên thủy”.

Anh Thư (Tổng hợp)

Đáng quan tâm
Mới nhất