Nghiên cứu mới cho thấy có 90% khả năng trong vòng mười năm tới, nhân loại có thể sử dụng kính thiên văn đặt trên không gian hoặc trên Trái đất để phát hiện một hố đen đang nổ tung. Một phát hiện như vậy sẽ thay đổi cách nhìn của chúng ta về vũ trụ bằng cách chứng minh sự tồn tại của “hố đen nguyên thủy” (primordial black holes) được sinh ra 13,8 tỷ năm trước, chỉ một giây sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang).

Các nhà khoa học từ lâu đã nghi ngờ rằng hố đen có thể phát nổ, nhưng thời gian xảy ra điều đó tăng theo khối lượng của hố đen. Ước tính trước đây cho rằng những hố đen lớn nhất sẽ cần thời gian dài hơn cả tuổi thọ giả thuyết của vũ trụ để phát nổ. Theo các lý thuyết cũ, một vụ nổ như vậy với hố đen nhỏ nhất chỉ xảy ra một lần trong 100.000 năm.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đứng sau công trình mới đã đưa ra một mô hình mới về điện tích của hố đen, gọi là “mô hình đồ chơi dark-QED.” Mô hình này bao gồm một phiên bản giả thuyết rất nặng của electron, mà nhóm đặt tên là “electron tối.” Nếu mô hình đúng, thì vụ nổ hố đen nguyên thủy có thể được chứng kiến một lần mỗi 10 năm.

Một vụ nổ hố đen nguyên thủy được cho là sẽ tràn ngập vũ trụ bằng tất cả các hạt có thể có, bao gồm các hạt đã được công nhận trong mô hình chuẩn vật lý hạt như electron, quark, và boson Higgs, cũng như các hạt vượt ra ngoài mô hình chuẩn – chẳng hạn như các hạt có thể cấu thành vật chất tối.

Điều đó có nghĩa là việc quan sát một vụ nổ như vậy không chỉ tiết lộ sự tồn tại của hố đen nguyên thủy, mà còn có thể giải quyết hàng loạt bí ẩn liên quan đến các hạt vượt ngoài mô hình chuẩn.

“Chúng tôi không khẳng định chắc chắn rằng điều này sẽ xảy ra trong thập kỷ này, nhưng có thể có 90% khả năng,” Michael Baker, thành viên nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Massachusetts, Amherst, cho biết. “Vì chúng ta đã có công nghệ để quan sát những vụ nổ này, nên chúng ta cần sẵn sàng.”

Hố đen có “rò rỉ” không?

Hố đen có nhiều khối lượng khác nhau, và sự đa dạng này là yếu tố cốt lõi trong lý thuyết của nhóm nghiên cứu.

Khái niệm quen thuộc nhất về hố đen là loại có khối lượng sao (stellar mass black hole), với khối lượng từ 10 đến 1.000 lần khối lượng Mặt Trời. Những hố đen này hình thành khi các ngôi sao khổng lồ cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân và không thể chống lại lực hấp dẫn của chính chúng, tạo ra một vùng không-thời gian có lực hấp dẫn mạnh đến mức ánh sáng cũng không thể thoát ra.

Với khối lượng hàng triệu đến hàng tỷ lần Mặt Trời, các hố đen siêu khối (supermassive black hole) quá lớn để có thể hình thành từ sự chết đi của các ngôi sao; người ta cho rằng chúng được tạo ra khi các hố đen nhỏ hơn va chạm và hợp nhất liên tiếp để trở nên ngày càng khổng lồ.

Trong khi đó, hố đen nguyên thủy được cho là nhỏ hơn nhiều, với khối lượng có thể từ bằng các hành tinh khổng lồ cho tới chỉ bằng một tiểu hành tinh cỡ trung bình. Chúng được cho là hình thành không phải từ các ngôi sao, mà từ sự dao động mật độ ban đầu trong vũ trụ, chỉ vài khoảnh khắc sau Vụ Nổ Lớn.

Khái niệm hố đen phát nổ xuất hiện từ năm 1974 khi nhà vật lý Stephen Hawking đề xuất rằng hố đen “rò rỉ” một dạng bức xạ nhiệt – sau này được gọi là “bức xạ Hawking.”

Sự phát ra bức xạ Hawking khiến hố đen dần bốc hơi, và quá trình này kết thúc bằng một vụ nổ. Nhiệt độ của bức xạ phụ thuộc vào khối lượng hố đen, theo quan hệ nghịch: hố đen càng lớn thì “nhiệt độ Hawking” càng thấp. Điều đó đồng nghĩa hố đen nhỏ nóng hơn nhiều so với môi trường xung quanh, nên phát ra bức xạ Hawking nhanh hơn, mất khối lượng nhanh hơn so với hố đen siêu lớn.

Và đó là cách các nhà khoa học nói rằng chúng ta có thể phát hiện chúng. “Hố đen càng nhẹ thì càng nóng và phát ra càng nhiều hạt. Khi hố đen nguyên thủy bốc hơi, chúng ngày càng nhẹ hơn, nóng hơn, phát ra nhiều bức xạ hơn cho đến khi nổ tung,” Andrae Thamm, thành viên nhóm nghiên cứu tại UMass Amherst, cho biết. “Chính bức xạ Hawking này là thứ mà kính thiên văn của chúng ta có thể phát hiện.”

Do đó, các nhà thiên văn học có thể phát hiện hố đen nguyên thủy – nếu chúng tồn tại – mặc dù cho đến nay vẫn chưa có bằng chứng.

“Chúng tôi biết cách quan sát bức xạ Hawking,” Joaquim Iguaz Juan, một nhà nghiên cứu UMass Amherst, nói. “Chúng ta có thể thấy nó bằng những kính thiên văn hiện tại, và bởi vì những hố đen duy nhất có thể nổ tung hôm nay hoặc trong tương lai gần là các hố đen nguyên thủy, nên nếu chúng ta thấy bức xạ Hawking, tức là chúng ta đang thấy một hố đen nguyên thủy nổ tung.”

Trước đây, khả năng phát hiện một hố đen nguyên thủy nổ được cho là cực kỳ nhỏ; tuy nhiên, như Iguaz Juan chỉ ra: “Công việc của chúng tôi với tư cách nhà vật lý là chất vấn các giả định cũ, đặt ra những câu hỏi tốt hơn và đưa ra giả thuyết chính xác hơn.”

Nhóm đã làm điều đó bằng cách xem xét lại giả thuyết về điện tích của hố đen. Hố đen khối lượng sao được coi là trung hòa về điện, và cho đến nay, hố đen nguyên thủy cũng được giả định như vậy.

“Chúng tôi đưa ra một giả định khác,” Baker nói. “Chúng tôi cho thấy rằng nếu một hố đen nguyên thủy hình thành với một điện tích tối nhỏ, thì mô hình dự đoán nó sẽ được ổn định tạm thời trước khi cuối cùng nổ tung.”

Điều đó dẫn đến kết quả là vụ nổ hố đen nguyên thủy xảy ra trung bình một lần mỗi 10 năm, thay vì một lần mỗi 100.000 năm.

Bước tiếp theo của nhóm là chuẩn bị sẵn sàng để thực hiện quan sát và tận dụng cơ hội 90% rằng một hố đen nguyên thủy sẽ nổ tung.

“Đây sẽ là lần đầu tiên quan sát trực tiếp cả bức xạ Hawking và một hố đen nguyên thủy. Chúng ta cũng sẽ có được hồ sơ đầy đủ về mọi hạt cấu thành nên vũ trụ,” Iguaz Juan nói. “Điều này sẽ cách mạng hóa vật lý và giúp chúng ta viết lại lịch sử vũ trụ.”

Nghiên cứu của nhóm đã được công bố hôm thứ Tư (10/9) trên tạp chí Physical Review Letters.

Sơ đồ cho thấy sự khác biệt lớn về khối lượng giữa hố đen siêu khối và hố đen nguyên thủy theo giả thuyết. Ảnh: Robert Lea

Minh họa các hố đen nguyên thủy gom vật chất để hình thành thế hệ sao đầu tiên. Ảnh: Robert Lea