Hố đen nguyên thủy có thể là lò luyện vàng của vũ trụ

Hố đen có thể tham gia quá trình tạo ra vàng và nhiều nguyên tố nặng khác. Ảnh: NASA.

Các nhà nghiên cứu tin rằng vàng và một số nguyên tố nặng khác có thể hình thành do quá trình hố đen nuốt chửng sao neutron từ bên trong, Inside Science hôm 30/8 đưa tin. Điều này cũng giúp giải thích nhiều vấn đề thiên văn hóc búa khác như nguồn gốc của các tia gamma hay chớp sóng vô tuyến bí ẩn.

Ba nguyên tố nhẹ nhất là hydrogen, helium và lithium được tạo ra từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ, chỉ khoảng một phút sau vụ nổ Big Bang. Các nguyên tố nặng hơn được hình thành sau đó bằng cách kết hợp hạt nhân nguyên tử của nguyên tố nhẹ với proton và neutron tự do.

Các nhà khoa học cho rằng sự "tổng hợp hạt nhân" này xảy ra dưới điều kiện nhiệt độ và áp lực cực hạn, tồn tại trong lõi sao hoặc những biến động lớn như vụ nổ siêu tân tinh.

"Tìm ra nguồn gốc hình thành những nguyên tố nặng như vàng, bạch kim và uranium là một vấn đề nan giải. Tất cả những gì chúng ta biết là có rất nhiều neutron tham gia quá trình này", đồng tác giả cuộc nghiên cứu, Alexander Kusenko, nhà vật lý lý thuyết tại Đại học California, cho biết.

Điều kiện cực hạn để hình thành những nguyên tố nặng nhất này xuất hiện trong các vụ nổ siêu tân tinh, nhưng chỉ trong những trường hợp cực hiếm. Những giả thuyết về tổng hợp hạt nhân hiện nay lại gặp khó khăn khi giải thích sự dồi dào của các nguyên tố nặng ở một số nơi trong vũ trụ, đặc biệt là thiên hà lùn Reticulum II.  

Theo giả thuyết mới, những nguyên tố nặng nhất vũ trụ có thể hình thành từ quá trình sinh ra hố đen trong vũ trụ nguyên thủy.

Các nhà khoa học cho rằng hố đen thường xuất hiện khi những ngôi sao lớn chết cùng một vụ nổ siêu tân tinh, để lại hố đen có khối lượng tương đương một ngôi sao.

Tuy nhiên, gần 50 năm trước, nhà vật lý nổi tiếng Stephen Hawking đưa ra giả thuyết, những hố đen nhỏ hơn có thể hình thành sau vụ nổ Big Bang chưa đầy một giây, khi những khu vực có mật độ thiên thể lớn của vũ trụ nguyên thủy bị chính trọng lực của chúng hủy diệt.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học cho rằng những hố đen nguyên thủy như vậy có thể va chạm với sao neutron – ngôi sao chỉ gồm toàn neutron và đậm đặc đến mức một thìa nhỏ cũng nặng khoảng một tỷ tấn.

Sao neutron với lượng neutron đậm đặc. Ảnh: The Star Garden.

Hố đen nguyên thủy sẽ xuyên xuống lõi sao neutron và nuốt chúng từ bên trong, khiến những ngôi sao này nổ tung. Điều kiện cực hạn trong sao neutron đang chết có thể tạo ra những nguyên tố nặng nhất. "Nếu có đủ nhiều hố đen nguyên thủy, thì đây có thể là nguyên nhân hình thành nên tất cả các nguyên tố nặng", Kusenko nhận định.

Nếu những vụ nổ từ bên trong như vậy xảy ra, chúng có thể trả lời cho nhiều câu hỏi thiên văn học búa khác, theo đồng tác giả cuộc nghiên cứu, Volodymyr Takhistov, nhà vật lý lý thuyết tại Đại học California.

Ví dụ, các nhà nghiên cứu cho rằng những tia gamma bí ẩn phát ra ở trung tâm dải Ngân hà có thể hình thành từ phản vật chất sinh ra từ những vụn phóng xạ khi sao neutron nổ hướng vào trong.

Ngoài ra, giai đoạn cuối khi sao neutron chết có thể tạo ra một số chớp sóng vô tuyến. Chớp sóng vô tuyến được phát hiện gần một thập kỷ trước, mức năng lượng chúng tỏa ra trong một giây còn nhiều hơn năng lượng Mặt Trời tỏa ra trong một tháng.

Tuy nhiên, giả thuyết hố đen nguyên thủy có thể khiến sao neutron nổ tung vẫn chỉ là suy đoán, theo nhà vật lý thiên thể lý thuyết Hans-Thomas Janka tại viện vật lý thiên thể Max Planck, Đức. "Chúng ta không biết hố đen nguyên thủy liệu có tồn tại không, có bao nhiêu hố đen ở trung tâm các thiên hà và thiên hà lùn, vật chất sẽ đẩy ra như thế nào nếu những hố đen nguyên thủy bị sao neutron giữ lại".

Những nghiên cứu trong tương lai cần tính toán chi tiết hơn để xem các sao neutron giữ hố đen có thể giải phóng lượng vật chất lớn không, Janka lưu ý. Ông cũng đưa ra một số giả thuyết khác về cách tạo ra lượng lớn các kim loại nặng như sự hợp nhất giữa các sao neutron, hoặc giữa sao neutron và hố đen có khối lượng tương đương một ngôi sao.

Những quan sát mới về sóng hấp dẫn sẽ giúp các nhà khoa học nghiên cứu nhiều dạng khác nhau của các vật thể đặc trong một vài năm tới, theo Joseph Bramante, nhà vật lý lý thuyết tại viện Vật lý Lý thuyết Perimeter, Canada.

Bramante cùng đồng nghiệp, Tim Linden đến từ Đại học Bang Ohio, Columbus đã thực hiện những nghiên cứu cho thấy các hạt vật chất tối, nếu tồn tại, cũng có thể khiến sao neutron nổ hướng vào trong. Bramante hy vọng những quan sát mới sẽ mang lại nhiều thành tựu khi thăm dò các loại hạt vật chất tối và các dạng hố đen nguyên thủy.

Thắng Trần