Năm 1974, Stephen Hawking đã đưa ra một trong những dự đoán nổi tiếng nhất của mình: rằng các hố đen cuối cùng đã bốc hơi hoàn toàn.
Theo lý thuyết của Hawking, các lỗ đen không hoàn toàn "đen" mà thay vào đó thực sự phát ra các hạt. Bức xạ này, Hawking tin rằng, cuối cùng có thể hút đủ năng lượng và khối lượng ra khỏi các lỗ đen để làm cho chúng biến mất. Lý thuyết được nhiều người cho là đúng nhưng đã từng được cho là gần như không thể chứng minh.
Tuy nhiên, lần đầu tiên, các nhà vật lý đã cho thấy bức xạ Hawking khó nắm bắt này - ít nhất là trong phòng thí nghiệm. Mặc dù bức xạ Hawking quá mờ để có thể phát hiện trong không gian bởi các thiết bị hiện tại của chúng ta, các nhà vật lý hiện đã nhìn thấy bức xạ này trong một lỗ đen tương tự được tạo ra bằng sóng âm và một số vật chất lạnh nhất, kỳ lạ nhất trong vũ trụ.
Cặp hạt
Các lỗ đen tạo ra một lực hấp dẫn cực kỳ mạnh mẽ đến mức ngay cả một photon, truyền đi với tốc độ ánh sáng, cũng không thể thoát ra. Mặc dù khoảng trống của không gian thường được coi là trống rỗng, nhưng sự không chắc chắn của cơ học lượng tử cho rằng chân không thay vào đó là các hạt ảo bay vào và tồn tại trong các cặp vật chất phản vật chất. (Các hạt phản vật chất có cùng khối lượng với vật chất của chúng, nhưng ngược lại điện tích.)
Thông thường, sau khi một cặp hạt ảo xuất hiện, chúng lập tức tiêu diệt lẫn nhau. Tuy nhiên, bên cạnh một lỗ đen, các lực cực lực của trọng lực thay vào đó kéo các hạt ra xa nhau, với một hạt được lỗ đen hấp thụ khi các hạt kia bắn vào không gian. Hạt hấp thụ có năng lượng âm, làm giảm năng lượng và khối lượng của lỗ đen. Nuốt đủ các hạt ảo này và lỗ đen cuối cùng sẽ bốc hơi. Các hạt thoát được gọi là bức xạ Hawking.
Bức xạ này đủ yếu để chúng ta không thể quan sát nó trong không gian ngay bây giờ, nhưng các nhà vật lý đã nghĩ ra những cách rất sáng tạo để đo nó trong phòng thí nghiệm.
Một chân trời sự kiện thác nước
Nhà vật lý Jeff Steinhauer và các đồng nghiệp của ông tại Technion - Viện Công nghệ Israel ở Haifa đã sử dụng một loại khí cực lạnh gọi là ngưng tụ Bose-Einstein để mô hình chân trời sự kiện của một lỗ đen, ranh giới vô hình mà không gì có thể thoát ra. Trong một dòng chảy của khí này, họ đặt một vách đá, tạo ra một "thác" khí; khi khí chảy qua thác, nó biến đủ năng lượng tiềm tàng thành động năng để chảy nhanh hơn tốc độ âm thanh.
Thay vì các hạt vật chất và phản vật chất, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các cặp phonon, hoặc sóng âm lượng tử, trong dòng khí. Phonon ở phía chậm có thể di chuyển ngược lại với dòng khí, rời khỏi thác nước, trong khi phonon ở phía nhanh thì không thể, bị mắc kẹt bởi "lỗ đen" của khí siêu âm.
"Giống như nếu bạn đang cố gắng bơi ngược dòng nước đang diễn ra nhanh hơn bạn có thể bơi", Steinhauer nói với Live Science. "Bạn sẽ cảm thấy như bạn đang tiến về phía trước, nhưng bạn đã thực sự quay trở lại. Và điều đó tương tự như một photon trong lỗ đen đang cố thoát ra khỏi lỗ đen nhưng bị trọng lực kéo sai cách."
Hawking dự đoán rằng bức xạ của các hạt phát ra sẽ ở trong một phổ liên tục của bước sóng và năng lượng. Ông cũng nói rằng nó có thể được mô tả bởi một nhiệt độ duy nhất chỉ phụ thuộc vào khối lượng của lỗ đen. Thí nghiệm gần đây đã xác nhận cả hai dự đoán này trong lỗ đen âm thanh.
"Những thí nghiệm này là một chuyến tham quan," Renaud Parentani, nhà vật lý lý thuyết tại Phòng thí nghiệm Lao động của Đại học Paris-Sud, nói với Live Science. Parentani cũng nghiên cứu các lỗ đen tương tự nhưng từ góc độ lý thuyết; ông không tham gia vào nghiên cứu mới. "Đó là một thí nghiệm rất chính xác. Từ phía thí nghiệm, Jeff thực sự, vào lúc này, chuyên gia hàng đầu thế giới về việc sử dụng các nguyên tử lạnh để thăm dò vật lý lỗ đen."
Tuy nhiên, Parentani nhấn mạnh rằng nghiên cứu này là "một bước trong một quá trình dài". Cụ thể, nghiên cứu này không cho thấy các cặp phonon tương quan ở mức lượng tử, đây là một khía cạnh quan trọng khác trong dự đoán của Hawking.
"Câu chuyện sẽ tiếp tục," Parentani nói. "Nó không phải là cuối cùng."
