Tìm kiếm vật chất tối từ đa vũ trụ: Viện Vật lý và Toán học của Vũ trụ Kavli (Kavli IPMU) là nơi có nhiều dự án liên ngành được hưởng lợi từ sức mạnh tổng hợp của nhiều chuyên môn có sẵn tại viện. Một trong những dự án như vậy là nghiên cứu các lỗ đen có thể đã hình thành trong vũ trụ sơ khai, trước khi các ngôi sao và thiên hà được sinh ra.
Những lỗ đen nguyên thủy (PBH) như vậy có thể chiếm toàn bộ hoặc một phần vật chất tối, chịu trách nhiệm cho một số tín hiệu sóng hấp dẫn quan sát được và hạt giống các lỗ đen siêu lớn được tìm thấy ở trung tâm Thiên hà của chúng ta và các thiên hà khác. Chúng cũng có thể đóng một vai trò nào đó trong quá trình tổng hợp các nguyên tố nặng khi chúng va chạm với sao neutron và phá hủy chúng, giải phóng vật chất giàu neutron. Đặc biệt, có một khả năng thú vị là vật chất tối bí ẩn, chiếm phần lớn vật chất trong vũ trụ, được cấu tạo từ các lỗ đen nguyên thủy. Giải Nobel vật lý năm 2020 đã được trao cho một nhà lý thuyết, Roger Penrose, và hai nhà thiên văn học, Reinhard Genzel và Andrea Ghez, vì những khám phá xác nhận sự tồn tại của lỗ đen. Vì các lỗ đen được biết là tồn tại trong tự nhiên, chúng là một ứng cử viên rất hấp dẫn cho vật chất tối.
Tiến bộ gần đây trong lý thuyết cơ bản, vật lý thiên văn và quan sát thiên văn để tìm kiếm PBH đã được thực hiện bởi một nhóm quốc tế gồm các nhà vật lý hạt, vũ trụ học và thiên văn học, bao gồm các thành viên Kavli IPMU Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada và Volodymyr Takhistov.
Để tìm hiểu thêm về các lỗ đen nguyên thủy, nhóm nghiên cứu đã xem xét vũ trụ sơ khai để tìm manh mối. Vũ trụ sơ khai dày đặc đến mức bất kỳ dao động mật độ dương nào trên 50% sẽ tạo ra một lỗ đen. Tuy nhiên, những nhiễu loạn vũ trụ mà các thiên hà gieo mầm được biết là nhỏ hơn nhiều. Tuy nhiên, một số quá trình trong vũ trụ sơ khai có thể đã tạo ra các điều kiện thích hợp để các lỗ đen hình thành.
Một khả năng thú vị là các lỗ đen nguyên thủy có thể hình thành từ các “vũ trụ con” được tạo ra trong quá trình lạm phát, một giai đoạn mở rộng nhanh chóng được cho là nguyên nhân tạo ra các cấu trúc mà chúng ta quan sát ngày nay, chẳng hạn như các thiên hà và các cụm thiên hà. Trong thời kỳ lạm phát, các vũ trụ con có thể tách ra khỏi vũ trụ của chúng ta. Một vũ trụ nhỏ (hay “con gái”) cuối cùng sẽ sụp đổ, nhưng lượng lớn năng lượng được giải phóng trong một thể tích nhỏ khiến một lỗ đen hình thành.
Một số phận thậm chí còn đặc biệt hơn đang chờ đợi một vũ trụ nhỏ hơn. Nếu nó lớn hơn một kích thước tới hạn nào đó, lý thuyết hấp dẫn của Einstein cho phép vũ trụ con tồn tại ở trạng thái có vẻ khác biệt với người quan sát ở bên trong và bên ngoài. Một người quan sát bên trong coi nó như một vũ trụ đang giãn nở, trong khi một người quan sát bên ngoài (chẳng hạn như chúng ta) coi nó như một lỗ đen. Trong cả hai trường hợp, vũ trụ lớn và vũ trụ nhỏ được chúng ta coi là những lỗ đen nguyên thủy, che giấu cấu trúc cơ bản của nhiều vũ trụ đằng sau “chân trời sự kiện” của chúng. Chân trời sự kiện là một ranh giới mà bên dưới mọi thứ, ngay cả ánh sáng, đều bị mắc kẹt và không thể thoát ra khỏi lỗ đen.
Trong bài báo của mình, nhóm đã mô tả một kịch bản mới cho sự hình thành PBH và cho thấy rằng các lỗ đen từ kịch bản “đa vũ trụ” có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng Hyper Suprime-Cam (HSC) của Kính viễn vọng Subaru 8,2m, một máy ảnh kỹ thuật số khổng lồ – việc quản lý mà Kavli IPMU đã đóng một vai trò quan trọng – gần đỉnh 4.200 mét của Mt. Mauna Kea ở Hawaii. Công việc của họ là một phần mở rộng thú vị của cuộc tìm kiếm HSC về PBH mà Masahiro Takada, Điều tra viên chính tại Kavli IPMU, và nhóm của ông đang theo đuổi. Nhóm HSC gần đây đã báo cáo những hạn chế hàng đầu về sự tồn tại của PBH ở Niikura, Takada et. al. ( Thiên văn học tự nhiên 3, 524-534 (2019))
Tại sao HSC lại không thể thiếu trong nghiên cứu này? HSC có một khả năng độc đáo để ghi lại hình ảnh toàn bộ thiên hà Tiên nữ trong vài phút một lần. Nếu một lỗ đen đi qua đường ngắm của một trong các ngôi sao, lực hấp dẫn của lỗ đen sẽ bẻ cong các tia sáng và làm cho ngôi sao trông sáng hơn trước trong một khoảng thời gian ngắn. Khoảng thời gian sáng của ngôi sao cho các nhà thiên văn biết khối lượng của lỗ đen. Với các quan sát của HSC, người ta có thể quan sát đồng thời một trăm triệu ngôi sao, tạo thành một mạng lưới rộng lớn cho các lỗ đen nguyên thủy có thể vượt qua một trong các đường ngắm.
Các quan sát HSC đầu tiên đã báo cáo một sự kiện ứng cử viên rất hấp dẫn phù hợp với một PBH từ “đa vũ trụ”, với khối lượng lỗ đen tương đương với khối lượng của Mặt trăng. Được khuyến khích bởi dấu hiệu đầu tiên này và được hướng dẫn bởi sự hiểu biết lý thuyết mới, nhóm đang tiến hành một vòng quan sát mới để mở rộng tìm kiếm và cung cấp một thử nghiệm cuối cùng về việc liệu PBH từ kịch bản đa vũ trụ có thể chiếm tất cả vật chất tối hay không.
Nguồn:
Tài liệu do Viện Vật lý và Toán học của Vũ trụ Kavli cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài của tin tức
Theo Sciencedaily
Helena Magazine
