Hàng triệu lỗ đen mini đi qua Trái đất mỗi ngày

Tương tự như các electron quay tròn xung quanh hạt nhân nguyên tử mà không bị rơi vào bên trong, các lỗ đen mini dưới một khối lượng nhất định có thể làm cho vật chất xung quanh quay tròn mà không rơi vào trong lỗ đen. Ảnh: Halfdan, Wikimedia Commons.

Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đề xuất rằng những lỗ đen mini có thể tương tác với vật chất rất khác với trước đây người ta nghĩ. Nếu như đề xuất đó là đúng, thì nó sẽ có nghĩa là thời gian cần thiết cho một lỗ đen mini nuốt chửng Trái đất sẽ dài hơn nhiều bậc độ lớn so với tuổi của Vũ trụ.

Trong bài báo của họ, đăng trên website chia sẻ bản thảo arXiv.org, Aaron P. VanDevender thuộc Phòng thí nghiệm Halcyon Molecular ở Redwood City, California, và J. Pace VanDevender thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở Albuquerque, New Mexico, muốn tìm một phương pháp phát hiện ra các lỗ đen mini mà người ta nghĩ là tồn tại trong tự nhiên. Những tính toán của họ cho thấy các lỗ đen mini có thể đi xuyên qua Trái đất mỗi ngày, và có mối đe dọa rất nhỏ đối với hành tinh của chúng ta.

Vật chất quay tròn xung quanh

Các lỗ đen mini khác với lỗ đen thiên văn vật lí thông thường ở cách thức chúng hình thành và kích cỡ của chúng. Trong khi các lỗ đen thiên văn vật lí được hình thành bởi sự co lại của những ngôi sao khổng lồ, thì người ta nghĩ những lỗ đen mini được hình thành trong lúc Big Bang, đó là nguyên do vì sao chúng được gọi là lỗ đen nguyên thủy. Và trong khi một lỗ đen thiên văn vật lí có khối lượng tối thiểu là 10³⁰ kg, thì khối lượng của lỗ đen mini biến đổi từ khối lượng Planck nhỏ xíu đến hàng nghìn tỉ kilogram hoặc lớn hơn, nhưng vẫn nhỏ hơn nhiều so với lỗ đen thiên văn vật lí. (Mặc dù vật lí học cho phép tồn tại những lỗ đen thuộc mọi kích cỡ, nhưng cho đến nay các nhà khoa học không biết cơ chế nào có thể tạo ra những vật thể trong ngưỡng trung bình) Khối lượng như trông đợi của các lỗ đen mini tạo ra trong phòng thí nghiệm nằm ở đầu nhỏ, khoảng 10^-23 kg. Do mật độ cực độ của chúng, cho nên ngay cả lỗ đen mini khối lượng lớn nhất cũng có kích cỡ vi mô.

Quan điểm thông thường xem lỗ đen là một trong những vật thể đậm đặc tới mức lực hấp dẫn mạnh của nó hút lấy toàn bộ vật chất lân cận đi qua một điểm tới hạn gọi là chân trời sự cố, từ đó nó không thể nào thoát ra ngoài. Nhưng bộ đôi tác giả VanDevender cho rằng có cái gì đó không giống như vậy xảy ra với những lỗ đen mini có khối lượng dưới 10¹² kg. Thay vì hấp thụ vật chất, những lỗ đen mini này có thể kết hợp vật chất bằng lực hấp dẫn, sao cho vật chất quay tròn xung quanh lỗ đen ở một khoảng cách nhất định. Vì các nguyên tử vật chất quay xung quanh lỗ đen do lực hấp dẫn gợi tưởng đến các electron quay xung quanh hạt nhân do lực điện từ - cả hai đều không bị rơi vào bên trong – nên các nhà vật lí gọi hệ lí thuyết này là Tương đương Hấp dẫn của Nguyên tử (GEA).

Mặc dù điều này trông có vẻ thuần túy lí thuyết, nhưng quan điểm trên có thể mang lại một phương pháp kiểm tra lí thuyết hiện nay của cách thức những lỗ đen mini già đi và qua đời, gọi là sự bay hơi lượng tử. Trong quá trình này, lỗ đen mini mất khối lượng cho đến cuối cùng thì chúng biến mất. Khi chúng mất khối lượng, chúng sẽ tạo ra tia X. Tuy nhiên, những nỗ lực nhằm quan sát dấu hiệu tia X của những giai đoạn cuối của sự bay hơi cho đến nay không hề thành công. Sự thiếu bằng chứng này cho thấy lỗ đen mini hoặc là không được tạo ra với số lượng lớn như dự đoán, hoặc là chúng không bay hơi.

Giả sử kiểu giải thích thứ hai vừa nói, bộ đôi tác giả VanDevenders đề xuất rằng, thay vì chỉ tìm kiếm những hiệu ứng bay hơi, các nhà nghiên cứu cũng nên tìm kiếm bằng chứng cho sự tồn tại thực sự của những lỗ đen mini. Nếu lí thuyết lỗ đen mini dưới dạng GEA của họ là đúng, thì vật chất liên kết bằng sự hấp dẫn trong một GEA sẽ tạo ra những phát xạ có thể phát hiện ra với những máy dò hiện nay, mặc dù cơ hội phát hiện ra những phát xạ này sẽ là mong manh.

“Sự bay hơi lượng tử là một nền tảng quan trọng của các lí thuyết lượng tử hấp dẫn trong ba thập niên qua, nhưng nó chưa bao giờ được xác nhận thực nghiệm”, Aaron VanDevender nói. “Nghiên cứu của chúng ta nêu vấn đề ‘cái gì sẽ xảy ra nếu những lỗ đen mini không bay hơi?’ Chúng tôi đã chứng tỏ rằng nếu chúng không bay hơi, chúng có thể tương tác với vật chất và có thể phát hiện ra được. Nếu chúng ta có thể quan sát những vật thể như vậy, thì nó sẽ có sự tác động to lớn đối với kiến thức của chúng ta về sự bay hơi lỗ đen, và sự hấp dẫn lượng tử nói chung”.

GEA hoạt động như thế nào

Trong bài báo của họ, các nhà nghiên cứu đã mô tả bằng phương pháp toán học làm thế nào một lỗ đen có thể tồn tại trên Trái đất mà không tiêu thụ hết toàn bộ khối lượng xung quanh. Một lỗ đen mini như vậy có những ràng buộc đối với bán kính Schwarzschild của nó, đó là bán kính nhỏ nhất của một vật thể là một lỗ đen trước khi nó bị hấp thụ, không bao giờ thoát ra được. Mọi vật thể nhỏ hơn bán kính Schwarzschild của nó là một lỗ đen. Nhưng vì những lỗ đen mini với khối lượng dưới 10¹² kg là quá nhỏ, nên chúng có thể có bán kính Schwarzschild nhỏ hơn nhiều so với quỹ đạo của các hạt vật chất liên kết hấp dẫn. Chừng nào những hạt vật chất này vẫn ở bên ngoài bán kính Schwarzschild của lỗ đen mini, thì chúng sẽ quay xung quanh chứ không bị hấp thụ. (Những lỗ đen với khối lượng 10¹² kg có bán kính Schwarzschild bằng bán kính của trạng thái cơ bản mà những hạt vật chất gần nhất quay trên đó, cho nên khối lượng này là giới hạn trên đối với một GEA) Các nhà nghiên cứu đã so sánh nguy cơ co sập của GEA với nguy cơ co sập của những nguyên tử thực tế.

“Sự lo ngại rằng một GEA địa cầu có thể hấp thụ cả trái đất là tương tự như cái người ta trông đợi hồi đầu thế kỉ 20 rằng các electron quay xung quanh một hạt nhân sẽ phát xạ năng lượng của chúng và rơi vào trong hạt nhân”, các nhà nghiên cứu viết như thế trong bài báo của họ. “Vì các mức năng lượng electron bị lượng tử hóa và giá trị trông đợi của bán kính của trạng thái cơ bản lớn hơn nhiều so với bán kính của hạt nhân, cho nên xác suất một electron bị hạt nhân bắt giữ là vô cùng nhỏ. Tương tự như vậy, các hạt khối lượng m không có khả năng rơi vào trong lỗ đen tại tâm của môt GEA; tuy nhiên, trên nguyên tắc, một vài hạt như thế có khả năng rơi vào, cung cấp năng lượng cho những sự phát xạ có thể quan sát được”.

Các nhà khoa học tính được rằng những lỗ đen mini với khối lượng khoảng 100.000 kg có thể đặc biệt hấp dẫn, vì chúng có thể là ứng cử viên cho vật chất tối. Họ ước tính rằng, nếu vật chất tối chủ yếu gồm những lỗ đen mini và phân bố đều khắp trong thiên hà, thì khoảng 40 triệu kg lỗ đen mini sẽ đi qua Trái đất mỗi năm. Các nhà nghiên cứu tính được rằng có thể phát hiện được khoảng 400 lỗ đen mini mỗi năm qua sự phát xạ điện từ mạnh của chúng từ vật chất liên kết hấp dẫn.

Nếu một hạt trên Trái đất tiến đến gần một GEA khi nó đang đi qua hành tinh chúng ta, thì hạt đó có thể bị tán xạ, bị bắt giữ trong quỹ đạo, hoặc giải phóng một hạt liên kết. Do những lỗ đen mini có vận tốc cao so với năng lượng liên kết cần thiết để bắt giữ một hạt, cho nên các nhà nghiên cứu dự đoán rằng lỗ đen mini đó sẽ nhanh chóng bị tước mất các hạt của nó khi nó đi xuyên qua Trái đất. Do đó, việc tìm kiếm những sự phát xạ như thế nên tập trung vào các nguồn phát có xuất xứ vũ trụ.

“Sẽ thật khó, nhưng không phải là không thể [để phát hiện ra một trong những lỗ đen mini đang đi qua Trái đất]”, Aaron VanDevender nói. “Khả năng hiện có của một GEA phát xạ ra bức xạ có thể quan sát là nhỏ nhưng không thể bỏ qua. Về căn bản, có khả năng việc quan sát một GEA trong quỹ đạo xung quanh Trái đất là dễ hơn, thay vì phát hiện một GEA đang đi qua ở vận tốc cao. Đồng thời, GEA lớn hơn có khả năng sẽ dễ phát hiện hơn nhiều, cho nên tốt nhất là nên tập trung những nỗ lực quan sát của chúng ta vào những vật thể trong ngưỡng 10⁴ đến 10⁶ kg”.

Cần 10³³ năm để nuốt chửng Trái đất

Các nhà nghiên cứu còn lưu ý rằng những lỗ đen tạo ra tại LHC là quá nhỏ và không có năng lượng liên kết đủ mạnh để liên kết vật chất vào những quỹ đạo lượng tử có thể phát ra bức xạ có thể quan sát được.

Trong bất cứ trường hợp nào, theo lí thuyết này, các lỗ đen mini thuộc mọi kích cỡ sẽ không hấp thụ những lượng lớn vật chất một cách quá nhanh. Các nhà khoa học tính được rằng, với một lỗ đen có khối lượng 1 kg, sẽ mất khoảng 10³³ năm để nó nuốt hết Trái đất. Để so sánh, Vũ trụ chúng ta hiện nay chỉ mới khoảng 13,7.10⁹ năm tuổi. Và với những lỗ đen nhỏ như những lỗ đen có thể hình thành tại LHC, thì thời gian để nó hấp thụ Trái đất sẽ còn dài hơn nhiều.

Nguồn:PhysOrg.com