Nghiên cứu: Hố đen có thể là ‘nguồn gốc của năng lượng tối’

Những quan sát về các ngôi sao và thiên hà trước đây cho thấy có sự tồn tại của “năng lượng tối”, một dạng năng lượng bí ẩn chiếm phần lớn trong vũ trụ mà không ai biết nó là gì hoặc nó từ đâu đến. Tuy nhiên, trong một nghiên cứu gần đây, các nhà thiên văn học cho rằng hố đen có thể giúp giải thích về dạng năng lượng này...

Vật chất thông thường tạo nên thế giới quen thuộc xung quanh chúng ta chỉ chiếm 5% toàn bộ vũ trụ; 27% khác là vật chất tối, một dạng vật chất tương tự vật chất thông thường nhưng không phát ra, phản xạ hay hấp thụ ánh sáng. Còn lại phần lớn vũ trụ – khoảng 68% – là năng lượng tối.

Một bài báo khoa học đăng trên The Astrophysical Journal Letters đã mô tả về bằng chứng mới cho thấy hố đen có thể là nguồn năng lượng tối. Bài báo là công trình hợp tác của 17 nhà thiên văn học đến từ 9 quốc gia và được dẫn đầu bởi Đại học Hawaii.

Thông qua việc tìm kiếm trên dữ liệu trải dài 9 tỷ năm trong lịch sử vũ trụ, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra bằng chứng đầu tiên về hiệu ứng “sự liên kết vũ trụ” (cosmological coupling), theo đó sự phát triển của các hố đen theo thời gian có liên quan đến sự giãn nở của chính vũ trụ.

Ý tưởng cho rằng hố đen có thể chứa một biểu hiện của năng lượng tối, gọi là năng lượng chân không, không phải là đặc biệt mới; và trên thực tế các nhà khoa học đã thảo luận điều này về mặt lý thuyết từ những năm 1960. Nhưng công trình mới nhất này có thêm giả định cho rằng, bởi vì hiệu ứng sự liên kết vũ trụ, cho nên năng lượng tối (và do đó khối lượng của hố đen) sẽ tăng theo thời gian khi vũ trụ giãn nở.

Nhóm nghiên cứu đã tính toán lượng năng lượng tối trong vũ trụ có thể được quy cho quá trình này. Và họ phát hiện ra rằng các hố đen có thể giúp giải thích tổng năng lượng tối mà chúng ta đo được trong vũ trụ ngày nay. Do đó, kết quả của nghiên cứu có thể giải quyết một trong những vấn đề cơ bản nhất của vũ trụ học hiện đại.

Năng lượng tối giúp giải thích tại sao vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh hơn. (Ảnh: NASA/JPL-Caltech)

Bí ẩn về vũ trụ đang giãn nở nhanh chóng

Hầu hết các nhà khoa học hiện nay cho rằng vũ trụ của chúng ta bắt đầu từ Vụ Nổ Lớn khoảng 13,7 tỷ năm trước. Năng lượng từ vụ nổ không-thời gian này khiến vũ trụ giãn nở nhanh chóng, với tất cả các thiên hà chạy ra xa nhau. Tuy nhiên, các nhà khoa học cho rằng quá trình giãn nở này sẽ dần dần chậm lại do tác động của lực hấp dẫn lên mọi vật chất trong vũ trụ.

Đây chính là phiên bản của vũ trụ mà chúng ta nghĩ rằng mình đang sống ở đó cho đến cuối những năm 1990, khi kính viễn vọng không gian Hubble phát hiện ra một hiện tượng kỳ lạ. Các quan sát về các ngôi sao đang nổ ở xa cho thấy rằng, trong quá khứ, vũ trụ thực ra giãn nở chậm hơn so với hiện nay.

Tức là, sự giãn nở của vũ trụ không hề chậm lại do lực hấp dẫn như mọi người vẫn nghĩ, mà thay vào đó, nó đang tăng tốc. Điều này khiến các nhà thiên văn học rất bất ngờ và họ đã cố gắng giải thích nó.

Để giải thích cho điều đó, các nhà khoa học đề xuất rằng, lực đẩy của “năng lượng tối” khiến mọi thứ chạy ra xa nhau phải mạnh hơn lực hấp dẫn kéo mọi thứ lại với nhau. Chú ý rằng khái niệm năng lượng tối này rất giống với một cấu trúc toán học mà Einstein đã đề xuất nhưng sau đó bị loại bỏ – một “hằng số vũ trụ” chống lại lực hấp dẫn và giữ cho vũ trụ không bị suy sụp.

Hố đen

Nhưng năng lượng tối là gì? Có vẻ như lời giải có thể nằm ở một bí ẩn vũ trụ khác: hố đen, loại thiên thể thường được sinh ra khi các ngôi sao lớn phát nổ và chết đi vào cuối vòng đời của chúng. Trọng lực và áp suất trong những vụ nổ dữ dội này sẽ nén một lượng lớn vật chất vào một không gian nhỏ hẹp. Chẳng hạn, một ngôi sao có khối lượng tương đương với Mặt trời của chúng ta sẽ bị nén vào một không gian có kích thước chỉ vài chục km.

Lực hấp dẫn của hố đen mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi nó – mọi thứ đều bị hút vào. Vị trí trung tâm của hố đen được gọi là điểm kỳ dị, nơi vật chất bị ép chặt thành một điểm có mật độ vô hạn. Tuy nhiên, vấn đề là cấu trúc toán học của các điểm kỳ dị không nên tồn tại.

Các hố đen ở trung tâm của các thiên hà gọi là những hố đen “siêu khối lượng”, nặng hơn nhiều so với những hố đen được sinh ra khi các ngôi sao chết một cách dữ dội. Chúng có thể nặng gấp hàng triệu đến hàng tỷ lần khối lượng Mặt trời.

Tất cả các hố đen đều tăng kích thước bằng cách tích lũy vật chất, nuốt chửng các ngôi sao đến quá gần hoặc hợp nhất với các hố đen khác. Vì vậy, các nhà khoa học dự đoán rằng chúng sẽ lớn hơn khi vũ trụ già đi.

Trong bài báo mới nhất, nhóm nghiên cứu đã xem xét các hố đen siêu nặng ở trung tâm các thiên hà và phát hiện ra rằng các hố đen này đã tăng khối lượng trong hàng tỷ năm.

Suy nghĩ lại về quá trình tăng khối lượng của hố đen

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng so sánh các quan sát về các thiên hà hình elip, nơi không có sự hình thành sao trong quá khứ và hiện tại. Do những thiên hà chết này đã sử dụng hết nhiên liệu, cho nên bất kỳ sự gia tăng nào về khối lượng hố đen đều không thể quy cho các quá trình tích lũy vật chất thông thường.

Thay vào đó, nhóm nghiên cứu đề xuất rằng những hố đen này thực sự chứa năng lượng chân không và để tăng khối lượng, chúng đã “kết hợp” với sự giãn nở của vũ trụ.

Một hình dung về hố đen, thứ có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc giải thích tổng lượng năng lượng tối. (Ảnh: Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA / Jeremy Schnittman)

Mô hình này rõ ràng đã cung cấp nguồn gốc khả dĩ của năng lượng tối trong vũ trụ. Ngoài ra, vì nó tránh được nhu cầu về một điểm kỳ dị ở trung tâm, cho nên nó cũng giúp chúng ta có thể bỏ qua các vấn đề toán học của điểm kỳ dị ảnh hưởng đến một số nghiên cứu về hố đen.

Nhóm nghiên cứu cũng tính toán lượng năng lượng tối trong vũ trụ có thể được quy cho quá trình liên kết này. Họ kết luận rằng các hố đen có thể cung cấp đủ lượng năng lượng chân không để giải thích cho tất cả năng lượng tối mà chúng ta đo được trong vũ trụ ngày nay.

Điều này không chỉ giải thích nguồn gốc của năng lượng tối trong vũ trụ mà còn khiến chúng ta phải suy nghĩ lại hoàn toàn về hiểu biết của mình về hố đen và vai trò của chúng trong vũ trụ.

Tuy các nhà khoa học vẫn cần phải làm nhiều việc hơn nữa để kiểm tra và xác nhận ý tưởng này, cả từ các quan sát bầu trời thực thế và lý thuyết. Nhưng xét cho cùng thì chúng ta đã có thể nhìn thấy một hướng đi mới để giải quyết vấn đề năng lượng tối.

Theo The Conversation

Văn Thiện biên dịch

Xem thêm: Hố đen là gì?