Một nghiên cứu mới cho thấy các lỗ đen khổng lồ có thể là nguyên nhân tạo ra năng lượng tối và sự giãn nở gia tốc của vũ trụ, nhưng vẫn cần xác minh thêm.
Năng lượng tối là một thế lực bí ẩn thúc đẩy quá trình giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ, chiếm khoảng 70% tổng năng lượng và vật chất trong vũ trụ. Tuy nhiên, cho dù là nhà vật lý, nhà thiên văn học hay nhà vũ trụ học, hầu như không ai biết chính xác năng lượng tối là gì và nó đến từ đâu.
Có quan điểm cho rằng năng lượng tối là "năng lượng chân không", tức là năng lượng tồn tại trong chính không gian, sẽ liên tục đẩy nhanh quá trình phân tách cấu trúc của vũ trụ. Vận tốc này được cho bởi hằng số vũ trụ và được biểu thị bằng chữ Hy Lạp λ trong các phương trình của Einstein.
Vấn đề với năng lượng tối là năng lượng chân không ban đầu được tính toán trên cơ sở vật lý hạt cơ bản sẽ không phù hợp với kết quả về tốc độ giãn nở của vũ trụ thu được từ các quan sát siêu tân tinh và giá trị của λ lớn hơn nhiều so với giá trị đo được bởi các nhà thiên văn học.
Trong một bài báo mới đăng trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters vào tháng 2, các nhà nghiên cứu đề xuất rằng bài toán hóc búa về năng lượng tối có thể được giải quyết bằng cách kết nối nó với một lỗ đen siêu lớn. Các lỗ đen siêu lớn tồn tại ở trung tâm của hầu hết các thiên hà và có thể vượt quá khối lượng hàng triệu hoặc hàng tỷ lần so với mặt trời của chúng ta.
Hầu hết các lý thuyết đều chỉ ra một điểm kỳ dị ở trung tâm của những lỗ đen siêu lớn này, nơi một khối lượng khổng lồ bị ép vào một khoảng không gian cực kỳ nhỏ. Tại những điểm kỳ dị này, các phương trình của thuyết tương đối rộng của Einstein (cách giải thích tốt nhất của chúng ta về lực hấp dẫn cho đến nay) đưa ra các giá trị vô hạn và các định luật vật lý cơ bản bị phá vỡ.
Tuy nhiên, mối liên hệ giữa năng lượng tối và các lỗ đen siêu lớn, được gọi là "khớp nối vũ trụ", cho thấy rằng ở trung tâm của lỗ đen siêu lớn không phải là một điểm kỳ dị, mà là năng lượng chân không được gọi là năng lượng tối.
Đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi quan sát thấy các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của các thiên hà trong vũ trụ gần đây nặng hơn so với khối lượng sao của các thiên hà chủ của chúng so với các thiên hà tương tự trong vũ trụ sơ khai cách đây 6 đến 9 tỷ năm”. David L. Clements, một nhà vật lý học của Đại học Hoàng gia Luân Đôn nói với tạp chí Popular Mechanics: "Tốc độ tăng trưởng của lỗ đen rất phù hợp với các dự đoán về các lỗ đen ‘liên kết vũ trụ', chúng tăng khối lượng khi vũ trụ giãn nở".
Ý tưởng này phù hợp với mô hình lỗ đen, Clements nói thêm. Mô hình thay thế điểm kỳ dị bằng năng lượng chân không ở tâm lỗ đen, điều này sẽ giải thích thành phần năng lượng tối của vũ trụ.
“Mối liên hệ với năng lượng tối xuất phát từ ý tưởng rằng việc lấp đầy chúng bằng năng lượng chân không sẽ tránh được bài toán hóc búa về kích thước vô cùng nhỏ và mật độ vô hạn vốn là điểm kỳ dị”, Clemens nói. "Những mô hình không có điểm kỳ dị như vậy đã xuất hiện từ khoảng những năm 1960, nhưng vẫn chưa có bằng chứng nào chứng minh chúng".
Việc loại bỏ điểm kỳ dị khỏi tâm lỗ đen làm hài lòng các nhà vật lý, bởi vì điểm vô cực cũng đại diện cho một lý thuyết không đầy đủ hoặc không chính xác. Vì vậy, việc loại bỏ các điểm kỳ dị cũng giúp xác nhận rằng thuyết tương đối rộng là lý thuyết đúng về lực hấp dẫn.
Clements tiếp tục: “Chúng tôi từng không mong sẽ có một kết luận như vậy, một điều hoàn toàn bất ngờ! Cũng thật ngạc nhiên khi các kết quả quan sát phù hợp với các khớp nối của vũ trụ”.
Cơ sở lý luận cho việc liên kết năng lượng tối với các lỗ đen siêu lớn xuất phát từ hai hướng lập luận khác nhau. Clements nói rằng, trước hết, không thể dễ dàng giải thích sự gia tăng nhanh chóng về khối lượng của một lỗ đen siêu nặng như vậy là do lỗ đen nuốt chửng các vật chất như khí, hoặc sự hợp nhất của hai lỗ đen nhỏ hơn. Điều này có nghĩa là các nguyên nhân điển hình của sự phát triển lỗ đen không áp dụng trên thang thời gian tương đương với tuổi của toàn vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu đã xác nhận điều này bằng cách quan sát các thiên hà hình elip yên tĩnh hình thành từ rất sớm trong vũ trụ, những thiên hà thay đổi rất ít kể từ đó. Nếu sự bồi tụ và sáp nhập hàng loạt là cách duy nhất để các lỗ đen phát triển, thì trong cùng một khung thời gian, các lỗ đen siêu lớn của các thiên hà này cũng chỉ phát triển với kích thước rất nhỏ. Họ lập luận rằng nếu các lỗ đen siêu nặng ở trung tâm các thiên hà tăng khối lượng, thì điều này có thể ám chỉ mối liên hệ giữa các lỗ đen và sự giãn nở của vũ trụ.
Các nhà nghiên cứu đã truy ngược lại thời gian trước đó và phát hiện ra rằng so với 9 tỷ năm trước, khối lượng của các lỗ đen ngày nay đã tăng từ 7 đến 20 lần. Điều này khiến họ tin rằng sự liên kết vũ trụ là chìa khóa cho sự phát triển của những lỗ đen này.
Nhóm nghiên cứu bắt đầu điều tra vấn đề này, giả định rằng sự lớn lên của lỗ đen mà họ quan sát được chỉ đơn giản là do sự liên kết vũ trụ. Để đạt được mục tiêu này, họ đã kiểm tra năm quần thể lỗ đen khác nhau trong ba thiên hà hình elip và ngoại suy chúng về một phần ba tuổi hiện tại của vũ trụ.
Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng khối lượng tăng thêm của các lỗ đen này liên quan đến cường độ liên kết giữa chúng và sự giãn nở của vũ trụ. Vì vậy, các lỗ đen lẽ ra phải nhỏ hơn trong quá khứ, điều này có liên quan đến sự giãn nở của vũ trụ.
Họ phát hiện ra rằng cường độ của khớp nối bằng với giá trị của năng lượng chân không chứa trong lỗ đen được dự đoán vào năm 2019. Công trình trước đây của các tác giả bài báo cũng đã gợi ý rằng sức mạnh của sự liên kết này chỉ ra thực tế là tất cả các lỗ đen trong vũ trụ đều góp phần tạo nên mật độ năng lượng tối gần như ổn định.
Trên đây là lý do thứ hai cho suy luận của Clements, nó cũng cung cấp nguồn vật lý thiên văn đầu tiên cho năng lượng tối. Tuy nhiên, mối liên hệ giữa năng lượng tối và lỗ đen vẫn chưa có kết luận.
Năng lượng tối có thể được giải thích mà không cần thêm bất cứ lý thuyết vật lý nào
Một trong những ưu điểm của giả thuyết liên kết vũ trụ do Clements và các cộng sự của ông đề xuất là không cần thêm bất cứ nguyên tố nào vào vũ trụ. Các yếu tố cần thiết để giải thích năng lượng tối và sự giãn nở đang gia tăng của vũ trụ đã có sẵn trong các lý thuyết vũ trụ đã biết của chúng ta dưới dạng lỗ đen.
Điều này khác với một số lý thuyết năng lượng tối khác, đòi hỏi phải giả định về các định luật vật lý hoặc tính chất của vũ trụ chưa được khám phá.
Clements cho biết: “Theo giả định rằng các lỗ đen siêu lớn liên kết vũ trụ chứa năng lượng chân không, tốc độ tăng trưởng của các lỗ đen hoàn toàn khớp với tốc độ chúng ta thấy trong vũ trụ tạo ra thuật ngữ lambda. Tuy nhiên, giả thuyết về năng lượng chân không là chìa khóa. Đó là một trong những cách chúng ta hiểu về lỗ đen, nhưng không phải là cách duy nhất”.
Clements tin rằng giả thuyết này vẫn nên được xem xét một cách thận trọng, và ông nhanh chóng chỉ ra rằng vẫn còn quá sớm để khẳng định rằng đây là cách giải thích đầy đủ vấn đề năng lượng tối.
Ông nói: "Những phát hiện của chúng tôi có thể gợi ý một giải pháp, nhưng cần phải làm nhiều việc hơn nữa để xác nhận những quan sát của chúng tôi và kiểm tra chúng nhiều hơn. Vẫn còn một loạt các phần trong bài báo của chúng tôi cần được kiểm tra thêm, bao gồm xem xét mẫu của các chuẩn tinh ở xa được sử dụng, sự phân bố khối lượng của các chuẩn tinh có độ dịch chuyển đỏ cao và đo tốc độ sáp nhập lỗ đen và nhiều các công việc khác”.
Các nhà vật lý khác bảo thủ hơn. Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về Vũ trụ học Luz Ángela García từ Đại học ECCI ở Bogota, Colombia, đã nghiên cứu sâu về năng lượng tối và vũ trụ sơ khai trong suốt sự nghiệp nghiên cứu của mình. Cô ấy nói với Popular Mechanics rằng vì các lỗ đen hình thành từ sự sụp đổ của các ngôi sao vào cuối vòng đời của chúng, nên việc kết nối năng lượng tối với vòng đời của các ngôi sao là "có rủi ro".
Cô cũng đề cập rằng hoạt động cực đại của lỗ đen là khoảng 10 tỷ năm trước và hoạt động của lỗ đen đã giảm mạnh sau đó. Nhưng năng lượng tối được cho là đã đẩy nhanh quá trình giãn nở của vũ trụ chỉ khoảng 8 tỷ năm trước. Điều đó có nghĩa là lý thuyết liên kết các lỗ đen siêu nặng với năng lượng tối phải giải thích tại sao năng lượng chân không của lỗ đen đã trải qua hai tỷ năm kiểm soát vật chất và năng lượng trong vũ trụ.
García cũng gợi ý rằng các nhà khoa học bây giờ nên xem xét kỹ hơn cách các tác giả của bài báo đo độ bền của khớp nối để đánh giá xem liệu nó có đến từ các hiện tượng vật lý khác hay không.
Việc cố gắng chứng minh hay bỏ qua mối liên hệ giữa năng lượng tối và lỗ đen sẽ là một chủ đề nóng trong giới vật lý lý thuyết.
Theo Diệp Tử Vi - Epochtimes
Lý Ngọc biên dịch
