Hố đen là 'máy gia tốc hạt' tự nhiên giúp tạo vật chất tối

Theo các nhà khoa học, những thiên thể này không chỉ có khả năng gia tốc hạt lên mức năng lượng cực hạn, mà còn có thể sản sinh ra cả các hạt vật chất tối - điều mà các phòng thí nghiệm hiện đại, dù đầu tư hàng chục tỉ USD, vẫn chưa đạt được.

Hố đen đối đầu các phòng thí nghiệm tỉ đô

Trong nhiều thập niên qua, các cỗ máy gia tốc hạt nhân tạo, tiêu biểu là máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider – LHC) ở châu Âu, đã trở thành niềm hy vọng hàng đầu để khám phá những hạt cơ bản nhất của tự nhiên. Với chiều dài tới 27km nằm sâu dưới lòng đất, LHC là công trình khoa học vĩ đại, giúp nhân loại tiến gần hơn tới việc hiểu bản chất vật chất tối, năng lượng tối và những bí ẩn sâu xa của vũ trụ.

Thế nhưng, chi phí khổng lồ và thời gian xây dựng kéo dài hàng chục năm đã trở thành thách thức không nhỏ. Một dự án xây dựng siêu máy gia tốc thế hệ tiếp theo thậm chí được ước tính tốn tới 30 tỉ USD và có thể mất 40 năm mới hoàn thành.

Giáo sư Joseph Silk, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Johns Hopkins (Mỹ) và Đại học Oxford (Anh) thẳng thắn: “Chúng ta đặt kỳ vọng lớn rằng LHC sẽ tạo ra hạt vật chất tối, nhưng đến nay vẫn chưa thấy bằng chứng. Trong khi chúng ta đầu tư hàng chục tỉ USD và chờ đợi nhiều chục năm, có thể tự nhiên đã cho ta một "máy gia tốc hạt miễn phí" ngay trong những hố đen siêu nặng”.

Nghiên cứu của ông và cộng sự vừa được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, khơi gợi một hướng tiếp cận hoàn toàn mới: thay vì chỉ dựa vào công nghệ nhân tạo, hãy thử “quan sát” những thí nghiệm vĩ đại mà chính vũ trụ đang tiến hành.

Máy gia tốc hạt: từ phòng thí nghiệm đến hố đen

Mô phỏng quá trình va chạm giữa các hạt hạ nguyên tử

Nguyên lý của máy gia tốc hạt khá rõ ràng: cho proton và những hạt hạ nguyên tử khác va chạm ở vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng, nhờ vậy giải phóng năng lượng cực lớn. Trong đống “mảnh vụn” văng ra từ vụ va chạm, các nhà khoa học hy vọng tìm thấy những hạt chưa từng được ghi nhận, trong đó có vật chất tối - thành phần vô hình chiếm tới 27% khối lượng-năng lượng của vũ trụ nhưng chưa hề được phát hiện trực tiếp.

Song điều bất ngờ là các hố đen cũng có thể tạo ra quá trình tương tự. Không chỉ là những “quái vật hấp thụ ánh sáng”, hố đen siêu nặng ở trung tâm thiên hà còn quay với vận tốc khủng khiếp. Chúng hút vật chất xung quanh, hình thành đĩa bồi tụ rực nóng và đôi khi phóng ra những cột tia plasma kéo dài hàng nghìn năm ánh sáng.

Theo nhóm nghiên cứu, chính những dòng khí và plasma hỗn loạn này có thể trở thành “đường hầm va chạm tự nhiên”, nơi các hạt lao vào nhau với tốc độ cực hạn, không khác gì trong máy gia tốc hạt nhân tạo.

Những “cột phản lực vũ trụ” - phòng thí nghiệm của tự nhiên

Giáo sư Joseph Silk lý giải: “Nếu hố đen siêu nặng có thể tạo ra các hạt từ những vụ va chạm proton năng lượng cao, thì một số hạt sẽ thoát ra ngoài và bay xuyên qua vũ trụ. Chúng ta có thể phát hiện được chúng khi đi qua các máy dò trên Trái đất”.

Điều này có nghĩa mỗi hạt “kỳ lạ” được phát hiện có thể mang trong nó dấu ấn của một vụ va chạm ở trung tâm thiên hà xa xôi. Nếu đúng, đây sẽ là bằng chứng cho một loại “máy gia tốc hạt vũ trụ” mà con người chưa từng nghĩ tới, đạt mức năng lượng không tưởng, vượt xa khả năng công nghệ hiện nay.

Nghiên cứu còn cho thấy: khi dòng khí rơi vào hố đen, chúng có thể khai thác năng lượng từ chuyển động quay của nó, tạo ra va chạm bạo liệt hơn nhiều so với tính toán trước đây. Một phần hạt sẽ bị hút vào và biến mất, nhưng phần khác lại thoát ra, được gia tốc đến mức năng lượng ngang bằng, thậm chí vượt quá các máy gia tốc hiện đại.

Trái đất có thể trở thành “điểm hẹn”

Điều thú vị là những hạt này, một khi được phóng đi, không bị khoảng cách hàng triệu hay hàng tỉ năm ánh sáng ngăn trở. Với năng lượng cực cao, chúng có thể vượt qua không gian bao la để đến Trái đất, nơi chúng ta có cơ hội ghi nhận.

Hiện nay, nhiều hệ thống đã sẵn sàng để làm nhiệm vụ này. Đài quan sát IceCube Neutrino tại Nam Cực đang theo dõi các hạt neutrino bí ẩn đi xuyên qua Trái đất. Kính thiên văn Neutrino Kilometer Cube dưới Địa Trung Hải mới đây ghi nhận neutrino năng lượng cao nhất trong lịch sử. Những công cụ này, vốn được thiết kế để săn lùng dấu vết từ siêu tân tinh hay vụ nổ hố đen, hoàn toàn có thể trở thành “tai mắt” phát hiện các hạt sinh ra từ những va chạm vũ trụ xa xôi.

Tự nhiên đi trước con người

Khái niệm hố đen như “máy gia tốc hạt tự nhiên” không chỉ gợi mở một hướng nghiên cứu mới, mà còn đặt ra câu hỏi triết học sâu xa: liệu vũ trụ có đang thực hiện những thí nghiệm vượt xa trí tưởng tượng của con người?

Trong khi chúng ta phải chờ hàng chục năm để xây dựng một siêu máy gia tốc với chi phí hàng chục tỉ USD, thì có thể đâu đó trong không gian, những hố đen đã thực hiện các va chạm hạt ở năng lượng gấp bội, hàng triệu năm trước. Và bây giờ, những mảnh vụn hạt từ thí nghiệm “tự nhiên” ấy đang dần dần tìm đường về Trái đất.

Nghiên cứu của Johns Hopkins không đồng nghĩa rằng con người nên từ bỏ nỗ lực xây dựng máy gia tốc hạt mới, bởi các thí nghiệm nhân tạo vẫn cho phép ta kiểm soát điều kiện, lặp lại và xác minh. Tuy nhiên, ý tưởng về hố đen như phòng thí nghiệm tự nhiên mở ra viễn cảnh đầy hứng khởi: con người có thể vừa chủ động tìm kiếm, vừa thụ động “lắng nghe” những tín hiệu từ vũ trụ.

Nếu một ngày nào đó, trong dữ liệu thu thập từ IceCube hay các kính thiên văn neutrino, ta phát hiện ra dấu vết hạt vật chất tối, thì có thể chính một hố đen xa xôi nào đó đã giúp ta thực hiện bước đột phá vĩ đại nhất trong vật lý hiện đại.

Bùi Tú