Các nhà khoa học cho rằng lỗ đen siêu lớn có thể bao gồm vật chất tối

Mục lục:

Các nhà khoa học cho rằng lỗ đen siêu lớn có thể bao gồm vật chất tối
Các nhà khoa học cho rằng lỗ đen siêu lớn có thể bao gồm vật chất tối
Anonim

Có hai vấn đề nổi tiếng trong lý thuyết về nguồn gốc của các thiên hà mà các nhà khoa học đã cố gắng giải quyết trong một thời gian dài. Nghiên cứu mới đang giúp tìm ra cách tiếp cận cho cả hai: Các nhà khoa học đã gợi ý rằng các lỗ đen siêu lớn có thể hình thành trực tiếp từ vật chất tối. Các nhà vật lý bình luận về lý thuyết này cho Forskning.

Theo nghiên cứu mới đây, điều này có thể giải thích cho việc các lỗ đen hình thành sớm như vậy trong lịch sử vũ trụ.

Có vẻ như hầu hết các thiên hà đều có một lỗ đen ở trung tâm.

Khối lượng của những con quái vật này là hàng trăm nghìn, và đôi khi gấp hàng tỷ lần khối lượng của một ngôi sao bình thường. Chúng tiêu thụ khí và các ngôi sao đến quá gần.

Lỗ đen có thể xảy ra khi một ngôi sao lớn chết và sụp đổ thành chính nó. Nhưng các nhà khoa học không chắc những người khổng lồ siêu lớn đến từ đâu vào thời kỳ đầu của lịch sử vũ trụ.

Carlos R. Argüelles thuộc Đại học Quốc gia Argentina La Plata, cùng với ba đồng nghiệp khoa học, đã cân nhắc kỹ lưỡng giả thiết sau: Liệu các lỗ đen siêu lớn có thể hình thành trực tiếp từ vật chất tối?

Vật chất tối

Vật chất tối là một loại vật chất trong vũ trụ mà chúng ta biết rất ít và thể tích của chúng vẫn chưa thể tính được. Có thể, khối lượng của chất vô hình này gấp sáu lần khối lượng của chất hữu hình trong vũ trụ.

Có ý kiến cho rằng vật chất tối chỉ đơn giản là những nguyên tử bình thường rất khó phát hiện. Cũng như sao lùn nâu và khí. Nhưng hầu hết các nhà vật lý đều tin rằng đây là một loại hạt đặc biệt, chưa được khám phá.

Các nhà khoa học tin rằng vật chất tối nằm, giống như bong bóng hay vầng hào quang rải rác, xung quanh các thiên hà, và cũng mở rộng ra xa hơn nhiều so với các ngôi sao ngoài cùng.

“Trong thiên hà chúng ta nhìn thấy các ngôi sao, nhưng hầu hết thiên hà - cụ thể là vật chất tối - chúng ta không nhìn thấy. Chúng tôi gọi đây là vầng hào quang vật chất tối,”Torsten Bringmann, giáo sư tại Đại học Oslo, người nghiên cứu về vật chất tối, nói với Forskning.

Vật chất tối tạo ra lực hấp dẫn bổ sung giữ các ngôi sao ở vị trí hiện tại của chúng. Ngoài ra, một vầng hào quang vật chất tối, chẳng hạn, có thể giải thích tại sao Dải Ngân hà quay nhanh hơn bình thường.

Mây lõi dày đặc

Các nhà nghiên cứu đã công bố một nghiên cứu lý thuyết mới cho thấy rằng các lỗ đen siêu lớn được hình thành trực tiếp từ vật chất tối vào thời kỳ đầu của vũ trụ.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các đám mây hoặc quầng sáng của vật chất tối đôi khi có phần lõi dày đặc. Và lõi này có thể trở nên dày đặc đến mức tại một thời điểm nào đó, vật chất sẽ sụp đổ xuống trạng thái của một lỗ đen siêu lớn.

Các nhà khoa học suy đoán rằng trong các thiên hà nhỏ, lùn, mật độ tới hạn này có thể chưa đạt tới. Trong chúng, lõi của vật chất tối chỉ có thể giống một lỗ đen, và vầng hào quang bên ngoài giải thích các đường cong quay quan sát được của các thiên hà như vậy.

“Mô hình này cho thấy quầng sáng vật chất tối có thể có lõi dày đặc. Rất có thể chúng sẽ đóng vai trò quyết định trong nỗ lực của chúng tôi nhằm tìm hiểu cách thức hình thành các lỗ đen siêu lớn”, Carlos R. Argüelles viết trong một thông cáo báo chí.

Xuất hiện sớm

Theo các nhà khoa học, giả thuyết này có thể giải thích làm thế nào mà các lỗ đen siêu lớn lại có thể hình thành trong vũ trụ sớm như vậy.

Một số lỗ đen khổng lồ đã được tạo ra từ rất lâu trước khi vũ trụ được một tỷ năm tuổi. Năm 2017, NASA báo cáo rằng họ đã phát hiện ra lỗ đen lâu đời nhất được phát hiện. Chỉ 690 triệu năm sau vụ nổ Big Bang, người khổng lồ này đã nặng gấp 800 triệu lần Mặt trời.

Theo Từ điển tiếng Na Uy lớn, có một số giả thiết về những gì chúng có thể được hình thành từ đó. Ví dụ, từ các lỗ đen thông thường, một loại "hạt giống" hút ngày càng nhiều vật chất và lớn lên trong một thời gian dài.

Một giả thuyết khác là một số lỗ đen từ các cụm sao chết đơn giản là hợp nhất với nhau. Ngoài ra, các lỗ đen siêu lớn có thể hình thành trực tiếp từ các đám mây khí đang sụp đổ vào thời kỳ đầu của vũ trụ.

Kịch bản mới này cho sự xuất hiện của chúng có thể cung cấp một lời giải thích tự nhiên về cách các lỗ đen siêu lớn xuất hiện vào thời kỳ đầu của vũ trụ, mà không cần phải giả định rằng các ngôi sao hoặc một số 'hạt giống' xuất hiện đầu tiên dưới dạng các lỗ đen thông thường, sau đó Arguelles giải thích.

Nó đã được giả định trước đây

Thorsten Bringmann của Đại học Oslo đã xem xét nghiên cứu mới.

Ông nói, đây không phải là lần đầu tiên các nhà khoa học cho rằng vật chất tối là nguồn gốc của các lỗ đen siêu lớn.

Mangmann cho biết: “Nó tuyên bố đã thực hiện phân tích thực tế nhất về tất cả chúng cho đến nay. "Các nhà khoa học mô tả sự phân bố của các hạt vật chất tối và chuyển động của chúng ở thời điểm ban đầu, tức là khi các quầng sáng hoặc các cấu trúc này được hình thành."

Kết quả là họ có được các mô hình vầng hào quang với một lỗ đen lớn ở giữa.

Forskning: Có sự khác biệt nào giữa một lỗ đen siêu lớn được tạo thành từ vật chất tối và vật chất thông thường?

Thorsten Bringmann: Không. Đây là một trong những phát hiện tuyệt vời của thuyết tương đối rộng. Một lỗ đen chỉ được mô tả bằng ba con số. Khối lượng, tốc độ quay và điện tích.

Trên thực tế, điện tích cũng không có gì đặc biệt quan trọng, vì nếu hố đen hóa ra tích điện âm, nó sẽ ngay lập tức hút điện tích dương về mình.

“Vì vậy, trên thực tế chỉ có hai con số mô tả hoàn toàn một lỗ đen. Bạn có thể ném cả một thư viện vào đó, và tất cả thông tin sẽ biến mất, và chỉ còn lại hai con số."

Neutrino vô trùng

Bringmann giải thích rằng các nhà khoa học đã chọn một ứng cử viên vật chất tối khá phổ biến được gọi là neutrino vô trùng.

Neutrino là những "hạt ma" khó nắm bắt, hầu như không tương tác với vật chất thông thường. Các nhà khoa học đã gợi ý rằng neutrino có thể có những "anh em" nặng hơn, chúng được gọi là neutrino vô trùng. Các hạt giả định này chỉ chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn - chúng không còn bị ảnh hưởng bởi bất kỳ lực tự nhiên nào.

Ngay dưới đường viền

Các nhà nghiên cứu gợi ý rằng khối lượng của một hạt như vậy nên nằm ngay dưới giới hạn mà sự tồn tại của nó bị loại trừ bằng quan sát, Bringmann nói.

Cái được gọi là mô hình chuẩn trong vũ trụ học, ΛCDM (Lambda-CDM Model), mô tả sự tiến hóa của vũ trụ với sự trợ giúp của năng lượng tối và vật chất tối "lạnh". Nhiều người đồng tình với mô hình này.

“Thực tế là vật chất tối lạnh chỉ có nghĩa là khi bắt đầu hình thành cấu trúc của vũ trụ, nó không có tốc độ đáng chú ý. Nó chỉ tăng tốc khi có thế năng hấp dẫn và lực hấp dẫn sẽ gia tốc nó,”Bringmann nói.

Điều này đặt ra một giới hạn về tốc độ các hạt có thể di chuyển lúc ban đầu và khối lượng của chúng.

“Nếu chúng di chuyển quá nhanh, cấu trúc không được hình thành trong mô hình, điều này không phù hợp với những gì chúng ta thấy ở quy mô lớn hơn,” Bringmann nói.

Các hạt trong nghiên cứu càng nhanh hoặc càng "nóng" càng tốt trong mô hình.

Theo Bringmann, nếu chúng ta xác định các đặc tính của vật chất tối một cách hoàn toàn ngẫu nhiên, chúng ta sẽ khó đi đến kết quả như vậy.

"Nhưng nó hoàn toàn có thể."

Một trong nhiều giải pháp khả thi

Bringmann nhớ lại rằng có hai vấn đề nổi tiếng trong lý thuyết về sự hình thành thiên hà mà các nhà khoa học đang cố gắng giải quyết.

“Chúng tôi biết rằng, ví dụ, ở trung tâm thiên hà của chúng ta - và nói chung, ở trung tâm của tất cả các thiên hà - có những lỗ đen rất lớn. Họ cần phải hiểu làm thế nào, ở giai đoạn đầu của sự phát triển của vũ trụ, các thiên hà nói chung được hình thành như thế nào.

Nhưng có một vấn đề là không ai thực sự biết những lỗ đen này đến từ đâu. Khi các nhà khoa học mô hình hóa sự hình thành của các thiên hà, hầu hết thời gian họ chỉ nói, "Được rồi, hãy cứ giả sử rằng các lỗ đen khổng lồ đã tồn tại ngay từ đầu."

Và khi mô phỏng được bắt đầu sau đó, mọi thứ đều rất giống với những gì chúng ta quan sát được trong thực tế nhờ những kính thiên văn mạnh mẽ.

Bài toán thứ hai được gọi là “vấn đề đỉnh”, và nó liên quan đến sự phân bố của vật chất tối trong các thiên hà lùn, Bringmann giải thích. Ở đây, khi mô hình hóa, nó hóa ra không hoàn toàn như những gì mong đợi. Quá nhiều vật chất tối được tạo ra ở trung tâm của các thiên hà lùn.

“Đáng chú ý, nghiên cứu mới này giải quyết cả hai vấn đề này với cùng một mô tả. Nó vô cùng thú vị,”Bringmann nói.

Nhưng có những mô hình khác có thể giúp giải quyết những vấn đề này. Có thể, sẽ không có sự nhất trí nào trong số chúng là tốt nhất.

Đề xuất: