Chế tạo thành công hố đen vũ trụ, chứng minh được bức xạ Hawking tồn tại

Hố đen là một trong những điều kỳ lạ và bí ẩn lớn nhất của vũ trụ mà con người mong muốn được khám phá. Theo nhiều nhà khoa học, hố đen chứa đựng một năng lượng lớn tới mức giữ cho thiên hà của chúng ta không trôi nổi trong vũ trụ.

Để tạo thành công hố đen "vũ trụ" trong phòng thí nghiệm, một phiên bản nhỏ hơn và "hiền lành" hơn các nhà khoa học đã sử dụng tới khí gas cực lạnh gồm hơn 2.000 nguyên tử. Thành công này đã giúp con người có bước tiến dài trong việc nghiên cứu các bí ẩn trong vũ trụ. Các nhà khoa học hi vọng trong tương lai chúng ta có thể nắm bắt được sức mạnh trên vũ trụ.

Theo nhận định của nhà vật lý học Stephen Hawking: hố đen không hề đen một chút nào bởi chúng vẫn phát ra một loại bức xạ.

Đầu tiên, hố đen là một vùng không thời gian có mật độ vật chất cực kì dày đặc, với lực hấp dẫn mạnh đến mức không một vật chất nào kể cả những hạt photon tạo nên ánh sáng cũng không thoát khỏi.

Năm 1974, nhà vật lý học Stephen Hawking nêu ra giả thuyết rằng ở vùng chân trời sự kiện của một hố đen (vùng đánh dấu giới hạn mà không có thứ gì quay lại được), có những ảnh hưởng lạ của vật lý lượng tử xảy ra, khiến cho các hạt có thể tồn tại được và phát xạ ra khỏi hố đen.

Được gọi là bức xạ Hawking, hiện tượng này xảy ra khá yếu nhưng kết quả cuối cùng vẫn sẽ là hố đen đó đang "dần chết", với việc mất năng lượng thường xuyên như vậy. Chưa ai có thể phát hiện ra hiện tượng bức xạ này tại một hố đen thực sự trên vũ trụ.

Mới đây, nhóm nghiên cứu tại Israel đã tại ra một hố đen tí hon ngay trong phòng thí nghiệm và họ đã phát hiện ra một sự phát bức xạ rất giống với những gì được nhắc tới trong thuyết "bức xạ Hawking", với việc sử dụng một vật liệu có tên "ngưng tụ Bose-Einstein" để tạo nên hố đen.

Như tên gọi của chúng có nhắc tới, thiên tài Einstein cũng đã góp phần dự đoán trạng thái vật chất kì lạ này, xảy ra khi một loại khí gas loãng được làm lạnh tới "nhiệt độ không tuyệt đối" (absolute zero). Ở một nhiệt độ thấp như vậy, có rất ít hoạt động nhiệt nằm trong loại gas này và trạng thái hạt của chúng sẽ trùng lặp, tạo ra những hiện tượng kì lạ, bao gồm trạng thái siêu lỏng, siêu dẫn và kinh nhạc nhất là khả năng giả lập được một hố đen vũ trụ khi kèm theo việc sử dụng những sóng âm thanh.

"Vấn đề của việc xác minh được bức xạ Hawking nằm nhiều ở phần nền hơn là chính bản thân những bức xạ ấy. Thực tế, vật chất ngưng tụ Bose-Einstein lạnh tới mức chúng có quá ít sóng trong đó để có thể theo dõi", anh Jefff Steinhauer, trưởng ban nghiên cứu nói.

Ánh sáng xanh phát ra từ địa điểm của hố đen nhân tạo, chính ánh sáng ấy tạo nên đường chân trời của hố đen.

Với hàng ngàn nguyên tử gas im lìm như vậy, anh Steinhauer đã đưa chúng vào một ống mỏng và dài, bắt chúng di chuyển với tia laser, với mục đích tạo ra một hố đen chứa sóng âm thanh trong lớp khí của chúng. Đây không phải lần đầu tiên các nhà khoa học tạo ra một hố đen với sóng siêu thanh, nhưng việc sử dụng vật chất ngưng tụ Bose-Einstein thì việc theo dõi bức xạ Hawking mới thực sự dễ dàng.

Ống dẫn nguyên tử gồm hai vùng: một vùng sẽ đưa nguyên tử đi chậm, vùng còn lại thì đẩy nhanh vận tốc của chúng, điểm chuyển tiếp giữa hai vùng sẽ như nước chảy xuống một con thác vậy: gia tốc của chúng sẽ tăng đột ngột. Toàn bộ hệ thống này được thiết kế giống như những gì xảy ra ở đường chân trời sự kiện của hố đen vũ trụ vậy.

"Một khi các nguyên tử chuyển động đủ nhanh, sóng âm thanh sẽ khoogn thể vượt qua dòng chảy của các nguyên tử ấy", anh Steinhauer nói. "Những sóng âm thanh này chuyển động như thể chúng đang bơingược dòng và điều này cũng giống như những gì xảy ra trong hố đen vậy. Các sóng âm thanh luôn cố gắng thoát ra nhưng chúng không thể làm được. Chúng bị hút vào cũng như cách các photon bị hút vào vậy".

Khi Steinhauer nghiên cứu đường chân trời sự kiện của hố đen nhân tạo này, anh nhận thấy rằng sóng âm thanh đang thoát ra và điều này làm anh liên tưởng ngay tới những gì bức xạ Hawking đã nhắc tới.

Steinhauer đã phải làm đi làm lại thí nghiệm này tới 4.600 lần, "đó là 6 ngày làm thí nghiệm và đo đạc liên tục" mới thu được kết quả này.

Với việc chứng minh được bức xạ Hawking tồn tại, ít nhất là trong một hố đen được tạo ra trong phòng thí nghiệm, anh Steinhauer đã áp dụng được vật lý lượng tử vào trong lĩnh vực cổ điển của lực hấp dẫn. Các nhà vật lý học vẫn đang đào sâu nghiên cứu về sự tương quan giữa hai lĩnh vực này và việc xác minh được bức xạ Hawking có thật sẽ là một bước tiến rất lớn trong hành trình nghiên cứu này.

"Hố đen là môi trường thử nghiệm tuyệt vời cho những quy luật vật lý mới", anh Steinhauer nhận định. Một đám mây nguyên tử trong phòng thí nghiệm sẽ là nơi người ta khám phá ra thêm nhiều thứ hơn nữa.