Khoa học & Công nghệ


Cao Chi

Trong thời gian gần đây, các nhà vật lý đặt ra sáng tạo là vật chất tối có thể được tạo dựng một phần hay toàn bộ bằng những lỗ đen nguyên thủy (primordial black holes). & các sóng cuốn hút đã được đài xem xét LIGO ghi nhận lại là kết quả phối hợp của những lỗ đen nguyên thủy đó. Thêm vào đó các nhà vật lý lại đặt ra sáng tạo rằng những hạt axion chuyển động quanh lỗ đen cũng mang lại các sóng cuốn hút khác.

Lỗ đen nguyên thủy & sóng cuốn hút

Như tất cả chúng ta biết năm 2015, đài xem xét LIGO đã phát hiện sóng cuốn hút (gravitational waves) – tín hiệu GW 150914 (14/09/2015) từ sự phối hợp của hai lỗ đen.

Sau đó, người ta còn tìm được hai sóng cuốn hút khác: GW151226 (ngày 26/12/2015) & GW170104 (ngày 4/1/2017) (xem hình 1). Các hiện tượng đó đều ra đời từ sự phối hợp của các lỗ đen có khối lượng bằng khoảng từ 10 đến 30 lần khối lượng mặt trời.

Hình 1. Ba tín hiệu sóng cuốn hút đã ghi thu được bởi LIGO.

Lỗ đen là kết quả co lại (collapse) của các sao vì lực cuốn hút. Song các lỗ đen trong LIGO có khối lượng to hơn các lỗ đen do các sao co lại vì thế các nhà vật lý cho rằng các tín hiệu nhận được ở trên là do sự phối hợp của những lỗ đen nguyên thủy.

Các nhà vật lý lý thuyết nghĩ rằng những lỗ đen nguyên thủy có thể tạo dựng trước các sao trong tiến trình co lại của những điểm có mật độ vật chất cao của vũ trụ nguyên thủy ngay sau vụ nổ Big Bang.

Xem Thêm  Tàu thăm dò Habuyasa 2 cho thấy tiểu hành tinh Ryugu có các đặc tính khác thường

Các lỗ đen đó được gọi là lỗ đen nguyên thủy, nó có những thuộc tính cũng giống như những lỗ đen ghi thu được bởi LIGO.

Những lỗ đen nguyên thủy tạo dựng từ sự co cuốn hút của những thăng giáng mật độ cao trong vũ trụ ở thời đoạn bé hơn một giây.

Sự tạo dựng các lỗ đen nguyên thủy được Zeldovich & Novikov đặt ra vào năm 1966.

Một mô hình phổ biến là cho vật chất tối (dark matter) được cấu thành bởi các hạt có khối lượng tương tác yếu (weakly interacting massive particles). Song các hạt có khối lượng tương tác yếu vẫn chưa tìm ra được, các nhà vật lý đặt ra giả thuyết vật chất tối được cấu thành (một phần hoặc toàn bộ) bởi các lỗ đen nguyên thủy trong tiến trình lạm phát vũ trụ.

Vật chất tối có thể gồm bằng (một phần hay toàn bộ) các lỗ đen nguyên thủy. Cũng giống như các hạt có khối lượng tương tác yếu, các lỗ đen nguyên thủy không va chạm với các đối tượng khác nên quả là những ứng viên hoàn hảo của vật chất tối.

Lạm phát gây nên bởi trường inflaton (lạm phát). Các nhà vật lý đặt ra mô hình các lỗ đen nguyên thủy có khối lượng (bằng vài chục lần khối lượng mặt trời) có thể gây nên bởi lạm phát lai – hybrid inflation (tức lạm phát với trường inflaton có thế năng điều khiển bởi hai hàm Ψ & Ф) (xem hình 2).

Hình 2. Thế năng trường inflaton trong lạm phát lai.

Xem Thêm  Truyền Thuyết Về Các Chòm Sao Orion Là Gì, Chòm Sao Orion

Những lỗ đen nguyên thủy có thể phối hợp với nhau + hiện tượng bồi đắp khí (accreation gas) để trở thành những lỗ đen với khối lượng bình quân (intermediate mass black holes) tại những tâm các cụm hình cầu nguồn gốc của các tia X siêu sáng (ultra-luminous X-ray sources) & những lỗ đen siêu khối lượng (super-massive black holes) tại tâm các thiên hà (xem hình 3).

Hình 3. Mô hình tạo dựng lỗ đen nguyên thủy, lỗ đen khối lượng bình quân & Lỗ đen siêu khối lượng.

Axion, lỗ đen & sóng cuốn hút

Axion là một hạt giả thiết trong lý thuyết Peccei-Quinn năm 1977 để giải thích hiện tượng phá vỡ đối xứng CP – đối xứng giữa vật chất & phản vật chất – trong Sắc động học lượng tử (Quantum chromodynamics).

Đây là một hạt pseudoscalar, không điện tích & có khối lượng rất nhỏ từ 10-5 đến 10-3eV/c2 có tương tác cuốn hút & điện từ. Nếu axion tồn tại thì thì đây cũng là một ứng viên cho vật chất tối.

Nếu axion chuyển động quanh một lỗ đen thì tất cả chúng ta sẽ có một hệ được gọi là “nguyên tử hấp dẫn – gravitational atom”, lấy tương đương với nguyên tử trong cơ học lượng tử.

Axion chuyển động quanh lỗ đen quay thu & mất năng lượng như các electron trong nguyên tử. Song electron tương tác qua điện từ & phát ra sóng điện từ còn axion tương tác qua cuốn hút vậy hệ bức xạ sóng cuốn hút.

Sự chuyển dời của axion giữa các mức của “nguyên tử hấp dẫn” & tiến trình hủy của axion thành graviton sẽ tạo ra sóng cuốn hút, này là những tín hiệu đơn sắc có thể phân biệt được với những tín hiệu thiên văn vật lý khác.

Xem Thêm  10/12/2012 nguyệt thực toàn phần

Điều lý thú là tất cả chúng ta có thể ghi thu được một loại sóng cuốn hút từ sự chuyển động của axion quanh lỗ đen quay (superradiance) giống như tất cả chúng ta ghi nhận các vạch phổ từ electron chuyển động trong nguyên tử.

Các đài xem xét LIGO, VIRGO đã nhận được sóng cuốn hút với các hoàn thành mới có thể nhận được các sóng cuốn hút từ chuyển động của axion.

Tổng kết

Vấn đề vật chất tối là một vấn đề lớn của vật lý hiện đại. Người ta đang truy tìm bản chất của vật chất tối song đến nay vẫn chưa có một tổng kết chắc cú.

Vật chất tối gồm bằng những hạt có khối lượng tương tác yếu? hay axion? hay những hạt nào khác? Có thể này là một chất siêu chảy?

Đến nay, các nhà vật lý nghĩ vật chất tối chính là những lỗ đen nguyên thủy.

Hình như vấn đề vật chất tối vẫn còn đang bỏ ngỏ.
———-
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1]  Juan Garcia-Bellido & Sebastien Clesse, A hidden population of black holes born less than one second after the Big Bang could solve the mystery of dark matter, Scientific American, tháng 7/2017 (xin cám ơn GS Đàm Thanh Sơn đã mách bảo ebook này).
[2] KASHLINSKI
arXiv:1605.04023v1 [astro-ph.CO] 13 May 2016.
[3] REDDY
https://phys.org/news/2016-05-scientist-link-primordial-black-holes.html
[4] Ryan F. Mandelbaum, Mind-Blowing New Theory Connects Black Holes, Dark Matter, and Gravitational Waves
http://gizmodo.com/mind-blowing-new-theory-connects-black-holes-dark-matt-1793710627.
[5] Asimina Arvanitaki, Masha Baryakhtar and Xinlu Huang,
Discovering the QCD Axion with Black Holes and Gravitational Waves
arXiv:1411.2263v3 [hep-ph] 23 Mar 2015.

 

By ads_law

Trả lời