Các vùng “nóng” của Vũ trụ sơ khai đã nguội đi như thế nào?

Một nhóm các nhà vật lý lý thuyết của Nga đã đưa ra giả thuyết rằng, sự nguội lạnh của các vùng nóng trong Vũ trụ sơ khai đã xảy ra do phát xạ neutrino.

Theo các nhà khoa học đến từ trường Đại học Nghiên cứu Hạt nhân Quốc gia Nga MEPhI (NRNU MEPhI), hiệu ứng làm lạnh neutrino có thể có tác động lớn đến sự tiến hóa của thế giới chúng ta, bao gồm các quá trình quan trọng như tái ion hóa và hình thành sao.

Đồng tác giả công trình Sergei Rubin, nghiên cứu viên cao cấp của trường Đại học NRNU MEPhI, cho biết: “Điều đáng ngạc nhiên là chúng ta vẫn chưa hiểu rõ cấu trúc của Vũ trụ được hình thành như thế nào – những lỗ đen nguyên thủy khổng lồ, những thiên hà, chuẩn tinh và các vật thể khác. Chúng ta không thể nói chắc chắn tại sao vũ trụ lại có thành phần hóa học như vậy. Đồng thời, vật lý của Vũ trụ sơ khai là một trong những công cụ chính để nghiên cứu cả vật lý của các hạt cơ bản và vũ trụ học. Bất kỳ dấu vết vật lý nào ở giai đoạn đầu phát triển Vũ trụ và các hiện tượng để lại những dấu vết này đều đáng được phân tích cẩn thận”.

Theo ông Rubin, ngày càng có nhiều dấu hiệu cho thấy rằng, các lỗ đen khổng lồ đã xuất hiện trong vũ trụ trước khi bắt đầu quá trình hình thành sao, tức là khoảng 13,5 tỷ năm trước.

Hiện có một số giả thuyết về nguồn gốc của các lỗ đen nguyên thủy. Một giả thuyết trong số đó được đề xuất bởi một nhóm các nhà vật lý lý thuyết từ trường Đại học Nghiên cứu Hạt nhân Quốc gia Nga MEPhI (NRNU MEPhI) và được phát triển nhờ sự hợp tác với các nhà khoa học từ Viện Nghiên cứu Hạt nhân thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga và Trường đại học tổng hợp Nam Liên bang (UFU).

Theo mô hình này, các lỗ đen không xuất hiện từng cái một mà xuất hiện từng cụm. Và các vùng với cụm lỗ đen nguyên thủy tách ra khỏi không gian đang giãn ra của Vũ trụ. Các cụm lỗ đen tạo thành những vùng bị cô lập về trọng lực trong Vũ trụ và giữ plasma nóng sơ cấp bên trong chúng.

Những vùng này có thể được làm nóng lên bởi các quá trình mà các nhà vật lý hạt đã biết. Chính giả thiết về sự tồn tại của các vùng được nung nóng riêng biệt là điểm khác với các mô hình khác. Các tác giả cho rằng, sẽ vô cùng thú vị khi nghiên cứu những vùng này để hiểu làm thế nào chúng có thể được phát hiện bằng các phương pháp thiên văn học hiện đại.

Đồng tác giả của công trình nghiên cứu Konstantin Belotskiy, nhà nghiên cứu hàng đầu tại NRNU MEPhI cho biết: “Chúng tôi đã phát hiện nhiều quá trình ấm lên trong các vùng nóng cô lập của Vũ trụ, nhưng, với quá trình làm lạnh thì có vấn đề. Xét theo mọi việc, bức xạ điện từ thông thường không gây ra hiện tượng này. Tuy nhiên, rõ ràng là ở nhiệt độ cao, trong các quá trình như vậy phải xuất hiện quá trình tạo ra neutrino.

Neutrino, không giống như các hạt khác, có thể tự do rời khỏi vùng, mang theo năng lượng và nhờ đó làm lạnh vùng đó. Tức là, neutrino có thể trở thành một trong những “chất điều chỉnh” chính đối với nhiệt độ trong những vùng giả định như vậy”.

Một điểm khác biệt quan trọng của mô hình này so với các mô hình khác là giả định rằng, các lỗ đen nguyên thủy không phân bố đồng đều trong Vũ trụ mà đã hình thành các cụm. Lực hấp dẫn của các cụm này đã bắt giữ vật chất, bao gồm vật chất tối, trước khi hình thành sao, khi nhiệt độ của môi trường vũ trụ đã là đủ cao.

Các nhà vật lý đã báo cáo về khả năng tồn tại các vùng nguyên sinh được hình thành do sự tích tụ của các lỗ đen nguyên thủy trong công trình “Electromagnetic probes of primordial black holes as dark matter” (Các đầu dò điện từ của các lỗ đen nguyên thủy như vật chất tối).

Theo các tác giả của công trình, họ đã dự đoán về mặt lý thuyết hiệu ứng làm lạnh các vùng giả định của plasma sơ cấp do bức xạ neutrino. Hiệu ứng này có thể đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa các vùng như vậy và do đó, ảnh hưởng đến tất cả các quá trình tiếp theo, bao gồm sự tái ion hóa của Vũ trụ và sự hình thành sao.

Ở giai đoạn tiếp theo, các nhà khoa học sẽ nghiên cứu sự tiến hóa sâu hơn của các vùng nóng cô lập về trọng lực trong Vũ trụ sơ khai. Ví dụ, họ lên kế hoạch xem xét quá trình hình thành các ngôi sao bên trong các vùng như vậy và các hiệu ứng động tạo ra bởi các lỗ đen.