[비즈한국] Một trong những bí ẩn lớn chưa có lời giải đáp: Liệu lỗ đen có thực sự tồn tại mãi mãi? Stephen Hawking đã đưa ra khả năng rằng ngay cả lỗ đen cũng dần bốc hơi bằng cách phát xạ các hạt. Đó chính là bức xạ Hawking. Khái niệm này cho rằng, giống như một ngôi sao chứa nhiệt lượng phát ra ánh sáng, lỗ đen cũng có thể giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ vật đen chính xác.
Bức xạ Hawking thay đổi tùy theo độ cong của chân trời sự kiện xung quanh lỗ đen. Các lỗ đen có khối lượng lớn thường có chân trời sự kiện khổng lồ nên độ cong của không-thời gian ít bị bẻ cong hơn. Ngược lại, các lỗ đen khối lượng nhỏ có chân trời sự kiện nhỏ hơn và độ cong bị bẻ cong nghiêm trọng hơn. Do đó, bức xạ Hawking diễn ra rất chậm khi lỗ đen còn nặng, nhưng khi lỗ đen dần bốc hơi và trở nên nhẹ hơn, tốc độ này sẽ tăng lên nhanh chóng không thể kiểm soát. Nếu một lỗ đen trở nên nhẹ như một tiểu hành tinh, nó sẽ phải phun ra một lượng ánh sáng rực rỡ đáng kinh ngạc trong một thời gian rất dài.
Gần đây, có một sự kiện khiến các nhà thiên văn học vô cùng phấn khích. Đó là một sự kiện chấn động làm dấy lên hy vọng rằng cuối cùng chúng ta đã bắt được bức xạ Hawking trong truyền thuyết. Liệu giấc mơ cuối cùng của Hawking, việc chứng minh bức xạ Hawking thông qua quan sát, có thành hiện thực?
Các nhà thiên văn học cho rằng ngay sau Big Bang, vô số lỗ đen nguyên thủy đã được hình thành trên khắp vũ trụ. Vũ trụ sơ khai tràn ngập các lỗ đen nguyên thủy với mật độ cao. Chúng va chạm nhanh chóng với nhau để tăng kích thước, và có lẽ đã trở thành hạt giống cho các lỗ đen siêu khối lượng ở tâm các thiên hà ngày nay. Nếu như chúng ta kỳ vọng rằng có rất nhiều lỗ đen nguyên thủy nhẹ trong vũ trụ sơ khai, thì đương nhiên, khi nhìn vào vũ trụ xa xôi trong quá khứ, chúng ta phải bắt được những tia sáng rực rỡ mà chúng phun ra chứ?
Mặc dù hiện nay tất cả đã biến mất, nhưng những hạt năng lượng cao do lỗ đen nguyên thủy phun ra chắc chắn phải đang trôi nổi trong không gian vũ trụ. Có những nhà thiên văn học kỳ vọng rằng các thiết bị dò trên tàu thăm dò Voyager, vốn đã rời khỏi vùng ảnh hưởng của gió mặt trời và đi vào hành trình liên sao, sẽ phát hiện ra dấu vết của các lỗ đen nguyên thủy này. Tuy nhiên, đáng tiếc là pin của Voyager sẽ sớm cạn kiệt. Do đó, việc tìm kiếm dấu vết của lỗ đen nguyên thủy chỉ dựa vào những tín hiệu mờ nhạt từ Voyager là rất khó khăn.
Thế nhưng, vào ngày 13 tháng 2 năm 2023, một tín hiệu đáng kinh ngạc đã được phát hiện bởi KM3Net, thiết bị dò neutrino được lắp đặt sâu dưới đáy biển Địa Trung Hải. Tại KM3Net, hàng ngàn cảm biến quang học đã phát hiện ra dấu vết của bức xạ Cherenkov được lan tỏa khi các hạt neutrino năng lượng cao lướt nhanh qua nước. KM3Net, vốn đang được lắp đặt dưới đáy biển ngoài khơi Pháp và Hy Lạp, hiện mới chỉ lắp đặt được một phần và đang trong quá trình xây dựng. Khi hoàn thành, nó sẽ lấp đầy một không gian biển khổng lồ có thể tích lên đến 1㎦ bằng các thiết bị dò. Có thể coi đây là phiên bản Super-Kamiokande chìm dưới lòng đại dương.
Các hạt neutrino được phát hiện bởi thiết bị dò mang mức năng lượng khủng khiếp lên tới 220PeV (Peta-electronvolt)! Mức năng lượng này kinh khủng đến mức nào? Năng lượng của hạt mạnh nhất mà các máy gia tốc hạt mạnh nhất trên Trái đất hiện nay có thể tạo ra còn chưa bằng 1/10.000 năng lượng của neutrino này. Một hạt có năng lượng khổng lồ mà con người không bao giờ có thể bắt chước được đã bay đến từ xa trong vũ trụ! Các nhà thiên văn học thậm chí còn nuôi hy vọng rằng đây có thể là dấu vết do một lỗ đen nguyên thủy cực sớm, vốn được hình thành chưa đầy 1 giây sau Big Bang, để lại khi nó biến mất.
Dựa trên dấu vết do các neutrino để lại, các nhà khoa học đã suy luận xem nếu thủ phạm thực sự là một lỗ đen nguyên thủy thì nó phải nặng đến mức nào và bay từ khoảng cách bao xa. Kết quả là, nó phải là một lỗ đen nguyên thủy có khối lượng chỉ bằng một ngọn núi và bốc hơi ở khoảng cách chỉ 1,2 tỷ km! Khoảng cách này chỉ bằng khoảng cách tới sao Thổ. Nói cách khác, một lỗ đen nguyên thủy rất rất nhỏ, thậm chí còn không phải tiểu hành tinh mà chỉ ở mức một ngọn núi, đã sống sót từ ngay sau Big Bang 1 giây cho đến nay, tình cờ đi vào hệ Mặt Trời và gần đây đột ngột biến mất, giải phóng các hạt năng lượng cao khủng khiếp. Dù rất phấn khích nhưng mặt khác, điều này cũng gây nghi ngờ.
Trên thực tế, không chỉ lỗ đen nguyên thủy mới tạo ra neutrino năng lượng cao. Ví dụ, các hiện tượng bùng nổ mạnh mẽ khác như vụ nổ tia gamma hoặc siêu tân tinh cũng có thể phát ra neutrino. Nếu đó thực sự là neutrino do lỗ đen nguyên thủy để lại khi biến mất, thì không chỉ thời điểm lỗ đen biến mất mà trước đó vài giờ, các tia gamma ở mức tương tự cũng phải được phát hiện cùng lúc. Chỉ khi các tia gamma năng lượng cao được phát hiện từ cùng một hướng ngay trước khi phát hiện neutrino, thì mới có thể chứng minh đó thực sự là lỗ đen nguyên thủy.
Hiện nay, trên khắp thế giới đã có rất nhiều thợ săn đang chờ đợi các neutrino và tia gamma. Trong nghiên cứu này, các nhà thiên văn học đã so sánh kết quả quan sát với IceCube, một thiết bị dò neutrino dưới nước khác được lắp đặt dưới băng Nam Cực; LHAASO (Đài quan sát các hạt tia vũ trụ tại vùng cao), nơi chờ đợi các hạt tia vũ trụ năng lượng cao đổ xuống từ khí quyển gần cao nguyên Tây Tạng; và HWAC (Đài quan sát tia Cherenkov trong nước ở độ cao lớn), nằm ở chân núi lửa Sierra Negra ở độ cao 4100m tại Mexico.
Tuy nhiên, tại bất kỳ nơi nào trong số đó, dấu vết của các neutrino hoặc tia gamma khác đều chưa từng được ghi nhận. Nếu hạt được phát hiện bởi KM3Net thực sự là neutrino năng lượng cao từ lỗ đen nguyên thủy, thì LHAASO lẽ ra phải bắt được hơn hàng trăm triệu tia gamma trong khoảng thời gian từ 7 đến 14 giờ trước khi lỗ đen biến mất. IceCube cũng lẽ ra phải phát hiện được ít nhất hơn 100 neutrino vào thời khắc cuối cùng khi lỗ đen biến mất. Đáng tiếc là HWAC đã tạm nghỉ quan sát trong giai đoạn đó. Cuối cùng, danh tính thủ phạm bắn ra hạt neutrino siêu năng lượng mạnh đến vô lý được KM3Net phát hiện vẫn chưa được làm rõ. Thật đáng buồn, nhưng có lẽ đó không phải là một lỗ đen nguyên thủy tình cờ xâm nhập vào hệ Mặt Trời.
Một số nhà thiên văn học thậm chí còn nghi ngờ rằng lỗ đen nguyên thủy có thể là vật chất tối đang lấp đầy vũ trụ, vì chúng đã tồn tại từ ngay sau Big Bang và không dễ tìm thấy bằng quan sát quang học thông thường. Ngoài ra, họ còn cố gắng kết nối các 'chấm đỏ nhỏ' (Little red dot), một bí ẩn khác liên tục được phát hiện ở rìa vũ trụ, trong vũ trụ sơ khai thông qua quan sát của James Webb, với lỗ đen nguyên thủy. Tuy nhiên, vẫn chưa có gì hoàn toàn khớp với lỗ đen nguyên thủy thực sự mà chúng ta kỳ vọng.
Một điều chắc chắn là, ít nhất theo mô hình tiến hóa vũ trụ mà chúng ta suy đoán, vũ trụ chắc chắn đã từng trải qua một thời kỳ tạo ra rất nhiều lỗ đen nguyên thủy. Đến nay, tất cả chúng hoặc đã tăng kích thước để trở thành lỗ đen siêu khối lượng ở tâm các thiên hà, hoặc những lỗ đen nhỏ chưa kịp hợp nhất đã nhanh chóng bốc hơi và biến mất. Nếu vậy, chắc chắn ở đâu đó trong vũ trụ phải có các hạt năng lượng cao do lỗ đen nguyên thủy để lại đang trôi nổi vô định trong không gian.
Cuộc tranh luận lần này, dù thất bại trong việc tìm kiếm và xác minh chắc chắn lỗ đen nguyên thủy, nhưng vẫn mang đến một niềm an ủi thông qua một khả năng lớn. Giờ đây, chúng ta cùng nhìn ngắm vũ trụ bằng đôi mắt mới là neutrino, bên cạnh các sóng điện từ năng lượng cao cổ điển như tia gamma và tia X. Chúng ta cũng đang mở ra kỷ nguyên quan sát đa sứ giả, vẽ nên bản đồ nơi chúng xuất phát. Giống như việc cuối cùng chúng ta cũng bắt được sóng hấp dẫn, thứ mà người ta từng từ bỏ vì nghĩ rằng không bao giờ có thể quan sát được, hy vọng rằng nhờ sự nỗ lực bền bỉ của các nhà thiên văn học, ngày chúng ta lần ra manh mối về một thực thể trong truyền thuyết khác - lỗ đen nguyên thủy - sẽ không còn xa. Hy vọng rằng ngày giấc mơ chưa hoàn thành của Hawking, người đã rời xa thế giới này, sẽ trở thành hiện thực.
Tham khảo
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250524666A/abstract
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem 'Galaxy Express 999', anh đã nuôi ước mơ lan tỏa vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh là giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do, Đại học Sejong, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như thuyết giảng và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Mỗi ngày một mảnh vũ trụ', 'Các nhà khoa học trong vũ trụ đầy sao', 'Không thể đi tới nhưng có thể biết', 'Những câu hỏi kỳ lạ xuất hiện khi nhìn vũ trụ', và dịch các tác phẩm như 'Hướng dẫn du lịch vũ trụ cho người quá giang', 'Vì sao tôi giết sao Diêm Vương', 'Quantum Life', 'Cosmigraphics'.