Những lỗ đen nguyên thủy có thể là vật chất tối

Lỗ đen nguyên thủy và sóng hấp dẫn

Như chúng ta biết năm 2015, đài quan sát LIGO đã phát hiện sóng hấp dẫn (gravitational waves) - tín hiệu GW 150914 (14/09/2015) từ sự kết hợp của hai lỗ đen.

Sau đó, người ta còn tìm được hai sóng hấp dẫn khác: GW151226 (ngày 26/12/2015) và GW170104 (ngày 4/1/2017) (xem hình 1). Các hiện tượng đó đều sinh ra từ sự kết 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 hấp dẫn đã ghi nhận được bởi LIGO.

Lỗ đen là kết quả co lại (collapse) của các sao vì lực hấp dẫn. Song các lỗ đen trong LIGO có khối lượng lớn hơn các lỗ đen do các sao co lại cho nên các nhà vật lý nghĩ rằng các tín hiệu thu được ở trên là do sự kết hợp của những lỗ đen nguyên thủy.

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

Các lỗ đen đó được gọi là lỗ đen nguyên thủy, nó có những tính chất tương tự như những lỗ đen ghi nhận được bởi LIGO.

Những lỗ đen nguyên thủy hình thành từ sự co hấp dẫn của những thăng giáng mật độ cao trong vũ trụ ở thời đoạn nhỏ hơn một giây.

Sự hình thành các lỗ đen nguyên thủy được Zeldovich và Novikov đưa ra vào năm 1966.

Một mô hình thông dụng 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 thấy được, các nhà vật lý đưa ra giả thuyết vật chất tối được cấu thành (một phần hoặc tất cả) bởi các lỗ đen nguyên thủy trong quá trình lạm phát vũ trụ.

Vật chất tối có thể gồm bằng (một phần hay tất cả) các lỗ đen nguyên thủy. Tương tự 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 đưa 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 và Ф) (xem hình 2).


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

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


Hình 3. Mô hình hình thành lỗ đen nguyên thủy, lỗ đen khối lượng trung bình và Lỗ đen siêu khối lượng.

Axion, lỗ đen và sóng hấp dẫn

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

Đây là một hạt pseudoscalar, không điện tích và có khối lượng rất nhỏ từ 10-5 đến 10-3eV/c2 có tương tác hấp dẫn và 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 chúng ta sẽ có một hệ được gọi là “nguyên tử hấp dẫn - gravitational atom”, lấy tương tự với nguyên tử trong cơ học lượng tử.

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

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

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

Các đài quan sát LIGO, VIRGO đã thu được sóng hấp dẫn với các hoàn thiện mới có thể thu được các sóng hấp dẫn từ chuyển động của axion.

Kết luận

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 kết luận chắc chắn.

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

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

Dường 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 tài liệu 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.

 

Theo tiasang.com.vn
Kích thước font In ấn

Bình luận chia sẻ

Bài viết mới nhất
22/04/2018
Bà Zhou Qunfei, nhà sáng lập kiêm giám đốc điều hành Lens Technology, cho rằng các doanh nhân phải sẵn sàng đón nhận mọi thất bại.
21/04/2018
Sáng 21/4, tại Quảng trường Đông Kinh Nghĩa Thục (Hà Nội) đã diễn ra Sự kiện cộng đồng chào mừng Ngày Sở hữu trí tuệ thế giới 2018 với chủ đề “Tiếp sức cho những thay đổi: Phụ nữ với hoạt động đổi mới và sáng tạo”.
21/04/2018
Tháng hành động vì an toàn thực phẩm (ATTP) năm 2018 diễn ra từ ngày 15/4 - 15/5 trên phạm vi toàn quốc, với Chủ đề “Tăng cường trách nhiệm của người sản xuất, kinh doanh thực phẩm”.
20/04/2018
Hưởng ứng ngày Sở hữu trí tuệ thế giới (26/4), Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ Khoa học và Công nghệ), Sở Khoa học và Công nghệ Bình Dương, Hội Doanh nhân trẻ tỉnh Bình Dương phối hợp với Công ty Vina CHG vừa tổ chức Hội thảo “Sở hữu trí tuệ và giải pháp truy xuất nguồn gốc, chống hàng giả” tại TP. Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương.
19/04/2018
Tối 18/4, Phó Thủ tướng Vũ Đức Đam tham dự Hội nghị trực tuyến với chủ đề “Những đổi mới trong an toàn thực phẩm vì sự phát triển bền vững” với lãnh đạo Ngân hàng Thế giới (WB), một số chuyên gia, nhà quản lý trong lĩnh vực này từ Văn phòng WB Việt Nam tại Hà Nội.
Tin đã đăng
Lazada - Cập nhật mã khuyến mại lên đến 50%
Cafe Trung Nguyên legend
http://gianphoibasao.vn
Minh Long
FPT
Kính mắt thủy tiên
Trang thông tin điện tử tổng hợp của Tạp chí Hàng hóa và thương hiệu Hà Nội
Cơ quan chủ quản: HỘI CHỐNG HÀNG GIẢ VÀ BẢO VỆ THƯƠNG HIỆU TP. HÀ NỘI
Số giấy phép: 60/GP-TTĐT, cấp bởi Bộ Thông tin và Truyền thông
Cục Phát thanh, Truyền hình và Thông tin điện tử
 Địa chỉ: 80 - Quang Trung, Hà Đông, Hà Nội
Điện thoại: 02433.553.807. Fax. 024 33.553.806
Tổng biên tập: Ông Phạm Bá Dục
Email: duchatap@gmail.com, bientap.hatap@gmail.com
logo.png
BIÊN TẬP NỘI DUNG
Phạm Hoàng Vũ - Phụ trách điện tử
Đỗ Duy Khương
Đặng Hồng Quang
Đường dây nóng: 09719.09783
Để tố giác, tố cáo sản phẩm làm giả, làm nhái, hàng kém chất lượng bạn đọc vui lòng liên hệ: 0168.8888.108
Email: bientap.hatap@gmail.com
® Ghi rõ nguồn "HATAP" khi đăng tải lại nội dung trên website này.