Sự phân bố vật chất tối trong cụm thiên hà Abell 3827 xuất hiện dưới dạng các đường viền màu xanh lam trong bức ảnh này bởi Kính viễn vọng Không gian Hubble.
(Ảnh: © ESO / R. Massey)
Một nghiên cứu mới cho thấy, các lỗ trắng, về mặt lý thuyết là đối lập chính xác của các lỗ đen, có thể tạo thành một phần chính của vật chất tối bí ẩn được cho là chiếm phần lớn vật chất trong vũ trụ. Và một số trong những lỗ trắng kỳ quái này thậm chí có thể có trước Big Bang, các nhà nghiên cứu cho biết.
Lỗ đen sở hữu lực hấp dẫn mạnh mẽ đến mức thậm chí không ánh sáng, thứ nhanh nhất trong vũ trụ, có thể thoát khỏi chúng. Ranh giới hình cầu vô hình bao quanh lõi của một lỗ đen đánh dấu điểm không thể quay lại được gọi là chân trời sự kiện. [Hình ảnh: Hố đen của vũ trụ]
Lỗ đen là một dự đoán của thuyết tương đối rộng của Einstein. Một cái khác được gọi là lỗ trắng, giống như lỗ đen ngược lại: Trong khi không có gì có thể thoát khỏi chân trời sự kiện của lỗ đen, thì không gì có thể đi vào chân trời sự kiện của lỗ trắng.
Nghiên cứu trước đây đã đề xuất rằng các lỗ đen và lỗ trắng được kết nối với nhau, với vật chất và năng lượng rơi vào lỗ đen có khả năng xuất hiện từ một lỗ trắng ở một nơi khác trong vũ trụ hoặc trong vũ trụ khác hoàn toàn. Vào năm 2014, Carlo Rovelli, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Aix-Marseille, Pháp và các đồng nghiệp của ông cho rằng lỗ đen và lỗ trắng có thể được kết nối theo một cách khác: Khi lỗ đen chết, chúng có thể trở thành lỗ trắng.
Vào những năm 1970, nhà vật lý lý thuyết Stephen Hawking đã tính toán rằng tất cả các lỗ đen sẽ bốc hơi khối lượng bằng cách phát ra bức xạ. Các lỗ đen mất khối lượng lớn hơn mức chúng dự kiến sẽ co lại và cuối cùng biến mất.
Tuy nhiên, Rovelli và các đồng nghiệp của ông cho rằng các lỗ đen thu nhỏ không thể biến mất nếu kết cấu của không gian và thời gian là lượng tử - nghĩa là, được tạo thành từ các đại lượng không thể tách rời được gọi là lượng tử. Không-thời gian là lượng tử trong nghiên cứu tìm cách hợp nhất thuyết tương đối rộng, có thể giải thích bản chất của lực hấp dẫn, với cơ học lượng tử, có thể mô tả hành vi của tất cả các hạt đã biết, thành một lý thuyết duy nhất có thể giải thích tất cả các lực của vũ trụ .
Trong nghiên cứu năm 2014, Rovelli và nhóm của ông đã đề xuất rằng, một khi lỗ đen bốc hơi đến một mức độ mà nó không thể co lại được nữa bởi vì không gian thời gian không thể bị nén lại thành bất cứ thứ gì nhỏ hơn, lỗ đen sắp chết sẽ bật lại thành một màu trắng hố.
"Chúng tôi vấp phải sự thật rằng một lỗ đen trở thành một lỗ trắng vào cuối quá trình bay hơi của nó", Rovelli nói với Space.com.
Ngày nay, các lỗ đen được cho là hình thành khi các ngôi sao khổng lồ chết trong các vụ nổ khổng lồ được gọi là siêu tân tinh, chúng nén các xác chết của chúng vào các điểm dày đặc vô hạn được gọi là điểm kỳ dị ở trung tâm của các lỗ đen. Rovelli và các đồng nghiệp trước đây đã ước tính rằng nó sẽ lấy một lỗ đen có khối lượng tương đương với mặt trời khoảng một phần triệu lần tuổi của vũ trụ hiện tại để chuyển thành lỗ trắng. [Hình ảnh siêu tân tinh: Những hình ảnh tuyệt vời về vụ nổ sao]
Tuy nhiên, công việc trước đó vào những năm 1960 và 1970 cho thấy lỗ đen cũng có thể bắt nguồn trong vòng một giây sau Vụ nổ lớn, do sự dao động mật độ ngẫu nhiên trong vũ trụ sơ sinh đang nóng lên nhanh chóng. Các khu vực nơi những biến động này tập trung vật chất lại với nhau có thể đã sụp đổ để tạo thành các lỗ đen. Cái gọi là lỗ đen nguyên thủy này sẽ nhỏ hơn nhiều so với lỗ đen khối sao, và có thể đã chết để tạo thành lỗ trắng trong vòng đời của vũ trụ, Rovelli và các đồng nghiệp lưu ý.
Ngay cả các lỗ trắng với đường kính hiển vi vẫn có thể khá lớn, giống như các lỗ đen nhỏ hơn hạt cát có thể nặng hơn mặt trăng. Bây giờ, Rovelli và đồng tác giả nghiên cứu Francesca Vidotto, thuộc Đại học xứ Basque ở Tây Ban Nha, cho rằng những lỗ trắng siêu nhỏ này có thể tạo thành vật chất tối.
Mặc dù vật chất tối được cho là chiếm tới sáu phần sáu vật chất trong vũ trụ, nhưng các nhà khoa học không biết nó được tạo ra từ cái gì. Như tên gọi của nó, vật chất tối là vô hình; nó không phát ra, phản xạ hoặc thậm chí chặn ánh sáng. Do đó, vật chất tối hiện chỉ có thể được theo dõi thông qua các tác động hấp dẫn của nó đối với vật chất bình thường, chẳng hạn như tạo ra các ngôi sao và thiên hà. Bản chất của vật chất tối hiện là một trong những bí ẩn lớn nhất trong khoa học.
Mật độ cục bộ của vật chất tối, như được đề xuất bởi chuyển động của các ngôi sao gần mặt trời, là khoảng 1% khối lượng mặt trời trên mỗi khối Parsec, tức là khoảng 34,7 năm ánh sáng. Để giải thích cho mật độ này với các lỗ trắng, các nhà khoa học đã tính toán rằng một lỗ trắng nhỏ - nhỏ hơn nhiều so với proton và khoảng một phần triệu gam, tương đương với khối lượng "nửa inch của một sợi tóc", Rovelli cho biết - là cần thiết cho mỗi 2.400 dặm khối (10.000 km khối).
Những lỗ trắng này sẽ không phát ra bất kỳ bức xạ nào, và vì chúng nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng, nên chúng sẽ vô hình. Nếu một proton đã xảy ra tác động đến một trong những lỗ trắng này, thì lỗ trắng "đơn giản sẽ bật ra", Rovelli nói. "Họ không thể nuốt bất cứ thứ gì." Nếu một lỗ đen gặp phải một trong những lỗ trắng này, kết quả sẽ là một lỗ đen lớn hơn, ông nói thêm. Như thể ý tưởng về các lỗ trắng vô hình, siêu nhỏ từ buổi bình minh của thời gian không đủ hoang dã, Rovelli và Vidotto tiếp tục đề xuất rằng một số lỗ trắng trong vũ trụ này thực sự có thể có trước Vụ nổ lớn. Nghiên cứu trong tương lai sẽ khám phá làm thế nào các lỗ trắng như vậy từ vũ trụ trước có thể giúp giải thích tại sao thời gian chỉ chảy về phía trước trong vũ trụ hiện tại này và không ngược lại, ông nói.
Rovelli và Vidotto đã trình bày chi tiết những phát hiện của họ trực tuyến vào ngày 11 tháng 4 trong một bài viết gửi đến cuộc thi thường niên của Quỹ Nghiên cứu Gravity cho các bài tiểu luận về trọng lực.
