Điều gì xảy ra nếu vật chất tối bao gồm một quần thể các lỗ đen tương tự như những người được LIGO phát hiện năm ngoái? Một nghiên cứu mới phân tích khả năng này.
Nghệ sĩ khái niệm về các lỗ đen nguyên thủy, thông qua NASA.
Các nhà thiên văn học hiện đại tin rằng một phần đáng kể của vũ trụ của chúng ta tồn tại dưới dạng vật chất tối. Giống như tất cả các vật chất, vật chất tối dường như tạo ra lực hấp dẫn, nhưng nó có thể được nhìn thấy. Nếu nó tồn tại, nó không phát ra ánh sáng cũng như bất kỳ dạng phóng xạ nào khác mà các nhà khoa học đã phát hiện. Các nhà khoa học đã ủng hộ các mô hình lý thuyết sử dụng các hạt lớn kỳ lạ để giải thích vật chất tối, nhưng cho đến nay, không có bằng chứng quan sát nào cho thấy đây là trường hợp. Vào ngày 24 tháng 5 năm 2016, NASA đã công bố một nghiên cứu mới củng cố ý tưởng về một giả thuyết thay thế: vật chất tối có thể được tạo ra từ các lỗ đen.
Alexander Kashlinsky, nhà vật lý thiên văn tại NASA Goddard, đã chỉ đạo nghiên cứu mới, theo ông:
Một nỗ lực để tập hợp một loạt các ý tưởng và quan sát để kiểm tra mức độ phù hợp của chúng, và sự phù hợp là tốt đáng ngạc nhiên. Nếu điều này là chính xác, thì tất cả các thiên hà, bao gồm cả thiên hà của chúng ta, được nhúng vào một khối cầu đen khổng lồ, mỗi khối khoảng 30 lần khối lượng mặt trời.
Có một số cách để hình thành các lỗ đen, nhưng tất cả chúng đều liên quan đến mật độ vật chất cao. Các lỗ đen của nghiên cứu Kashlinsky, là những gì được gọi là lỗ hậu nguyên thủy, được cho là đã hình thành trong phần đầu tiên của giây sau Vụ nổ lớn, khi áp suất và nhiệt độ cực kỳ cao. Trong thời gian này, những dao động nhỏ trong mật độ vật chất có thể đã tạo ra vũ trụ sơ khai với các lỗ đen, và nếu vậy, khi vũ trụ mở rộng, những lỗ đen nguyên thủy đó sẽ vẫn ổn định, tồn tại cho đến thời đại chúng ta.
Trong bài báo mới của mình, Kashlinsky chỉ ra hai dòng bằng chứng chính cho thấy những lỗ đen này có thể giải thích cho vật chất tối bị thiếu được cho là tràn ngập vũ trụ của chúng ta. Tuyên bố của ông giải thích rằng ý tưởng này:
Sự phù hợp với kiến thức của chúng ta về nền hồng ngoại và tia X vũ trụ phát sáng và có thể giải thích khối lượng lớn các lỗ đen hợp nhất bất ngờ được phát hiện năm ngoái.
Trái: Hình ảnh này từ Kính viễn vọng Không gian Spitzer của NASA cho thấy chế độ xem hồng ngoại của một khu vực bầu trời trong chòm sao Ursa Major. Phải: Sau khi che giấu tất cả các ngôi sao, thiên hà và cổ vật đã biết và tăng cường những gì còn lại, một ánh sáng nền không đều xuất hiện. Đây là nền hồng ngoại vũ trụ (CIB); màu sáng hơn cho thấy các khu vực sáng hơn. Hình ảnh thông qua NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard)
Dòng bằng chứng đầu tiên là sự loang lổ quá mức trong ánh sáng nền quan sát của tia hồng ngoại.
Năm 2005, Kashlinsky đã dẫn đầu một nhóm các nhà thiên văn học sử dụng Kính viễn vọng Không gian NASA Spitzer để khám phá nền hồng ngoại này phát sáng ở một phần của bầu trời. Nhóm của ông kết luận rằng sự loang lổ quan sát có khả năng gây ra bởi ánh sáng tổng hợp của các nguồn đầu tiên chiếu sáng vũ trụ hơn 13 tỷ năm trước. Sau đó, câu hỏi trở thành những nguồn đầu tiên là gì? Là lỗ đen nguyên thủy trong số họ?
Các nghiên cứu tiếp theo đã xác nhận rằng nền hồng ngoại vũ trụ (CIB) này cho thấy sự loang lổ bất ngờ tương tự ở các phần khác của bầu trời. Sau đó vào năm 2013, một nghiên cứu đã so sánh nền tia X vũ trụ so với nền hồng ngoại trong cùng một khu vực trên bầu trời. Tuyên bố Kashlinksy nói:
Ánh sáng bất thường của tia X năng lượng thấp trong sự phù hợp với độ loang lổ khá tốt. Vật thể duy nhất mà chúng ta biết có thể phát sáng đủ trong phạm vi năng lượng rộng này là một lỗ đen.
Nghiên cứu năm 2013 đã kết luận rằng các lỗ đen nguyên thủy phải có rất nhiều trong số những ngôi sao sớm nhất, chiếm ít nhất khoảng một trong số năm nguồn đóng góp vào nền hồng ngoại vũ trụ.
Bây giờ chuyển sang ngày 14 tháng 9 năm 2015, và bằng chứng thứ hai của Kashlinsky, bằng chứng cho thấy các lỗ đen nguyên thủy tạo nên vật chất tối. Ngày đó - đã được đánh dấu trong lịch sử khoa học - là khi các nhà khoa học tại Cơ sở quan sát sóng hấp dẫn sóng giao thoa kế laser (LIGO) ở Hanford, Washington và Livingston, Louisiana thực hiện phát hiện sóng hấp dẫn đầu tiên, cực kỳ thú vị. Một cặp lỗ đen hợp nhất cách xa 1,3 tỷ năm ánh sáng được cho là đã tạo ra các sóng được phát hiện bởi LIGO vào ngày 14 tháng 9 năm ngoái. Sóng là những gợn sóng trong kết cấu của không gian, di chuyển với tốc độ ánh sáng.
Ngoài việc là lần đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn và giả sử sự kiện LIGO đã được giải thích chính xác, sự kiện này cũng đánh dấu sự phát hiện trực tiếp đầu tiên của các lỗ đen. Do đó, nó đã cung cấp cho các nhà khoa học thông tin về khối lượng của các lỗ đen riêng lẻ, gấp 29 và 36 lần khối lượng mặt trời, cộng hoặc trừ khoảng bốn khối lượng mặt trời.
Trong nghiên cứu mới của mình, Kashlinsky đã chỉ ra rằng những thứ này được cho là khối lượng gần đúng của các lỗ đen nguyên thủy. Trên thực tế, ông cho rằng những gì LIGO có thể đã phát hiện ra là sự hợp nhất của các lỗ đen nguyên thủy.
Các lỗ đen nguyên thủy, nếu chúng tồn tại, có thể tương tự như các lỗ đen hợp nhất được phát hiện bởi nhóm LIGO vào năm 2015. Mô phỏng máy tính này cho thấy trong chuyển động chậm, sự hợp nhất này sẽ trông giống như thế nào. Vòng xung quanh các lỗ đen, được gọi là vòng Einstein, phát sinh từ tất cả các ngôi sao trong một khu vực nhỏ ngay phía sau các lỗ có ánh sáng bị bóp méo bởi thấu kính hấp dẫn. Các sóng hấp dẫn được phát hiện bởi LIGO không được hiển thị trong video này, mặc dù các hiệu ứng của chúng có thể được nhìn thấy trong vòng Einstein. Sóng hấp dẫn truyền ra phía sau các lỗ đen làm xáo trộn các hình ảnh sao bao gồm vòng Einstein, khiến chúng bị luồn lách trong vòng thậm chí rất lâu sau khi quá trình sáp nhập hoàn tất. Sóng hấp dẫn truyền theo các hướng khác gây ra sự trượt dốc yếu hơn, ngắn hơn ở mọi nơi bên ngoài vòng Einstein. Nếu được phát lại trong thời gian thực, bộ phim sẽ kéo dài khoảng một phần ba giây. Hình ảnh qua ống kính SXS.
Trong bài báo mới của mình, xuất bản ngày 24 tháng 5 năm 2016 trong Tạp chí Vật lý thiên văn, Kashlinsky phân tích những gì có thể xảy ra nếu vật chất tối bao gồm một quần thể các lỗ đen tương tự như những gì được phát hiện bởi LIGO. Tuyên bố của ông kết luận:
Các lỗ đen làm biến dạng sự phân bố khối lượng trong vũ trụ sơ khai, thêm một biến động nhỏ gây hậu quả hàng trăm triệu năm sau, khi những ngôi sao đầu tiên bắt đầu hình thành.
Trong phần lớn vũ trụ trong 500 triệu năm đầu tiên, vật chất bình thường vẫn còn quá nóng để hợp lại thành những ngôi sao đầu tiên. Vật chất tối không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao bởi vì, dù bản chất của nó là gì, nó chủ yếu tương tác thông qua trọng lực. Tập hợp bởi sự hấp dẫn lẫn nhau, vật chất tối trước tiên sụp đổ thành các khối gọi là minihaloes, cung cấp một hạt hấp dẫn cho phép vật chất bình thường tích lũy. Khí nóng sụp đổ về phía các minihaloes, dẫn đến các túi khí đủ dày đặc để tự mình sụp đổ thành những ngôi sao đầu tiên. cho thấy rằng nếu các lỗ đen đóng vai trò là một phần của vật chất tối, quá trình này xảy ra nhanh hơn và dễ dàng tạo ra độ sần của dữ liệu Spitzer được phát hiện ngay cả khi chỉ một phần nhỏ các minihaloes có thể tạo ra các ngôi sao.
Khi khí vũ trụ rơi vào các minihaloes, các lỗ đen cấu thành của chúng cũng sẽ tự nhiên bắt được một phần của nó. Vật chất rơi xuống một lỗ đen nóng lên và cuối cùng tạo ra tia X. Cùng với nhau, ánh sáng hồng ngoại từ các ngôi sao đầu tiên và tia X từ khí rơi vào các lỗ đen vật chất tối có thể giải thích cho sự thỏa thuận quan sát được giữa độ loang lổ của và.
Đôi khi, một số lỗ đen nguyên thủy sẽ vượt qua đủ gần để bị hấp dẫn vào hệ thống nhị phân. Các lỗ đen trong mỗi nhị phân này sẽ, trên các eons, phát ra bức xạ hấp dẫn, mất năng lượng quỹ đạo và xoắn ốc vào bên trong, cuối cùng hợp nhất thành một lỗ đen lớn hơn như sự kiện LIGO quan sát được.