Lỗ đen có thể trở thành máy gia tốc hạt lớn

Lỗ đen có thể chính là một dạng động cơ tự nhiên mạnh mẽ chỉ sử dụng lực hấp dẫn và có khả năng kéo các vật thể mạnh đến mức chúng không thể thoát ra ngoài. 

Lỗ đen có thể trở thành máy gia tốc hạt lớn
Một nghiên cứu mới của các nhà khoa học đề xuất sử dụng lỗ đen như máy gia tốc hạt. (Ảnh: Pixabay)

Theo Live Science, khi những hạt vật chất ở gần chân trời sự kiện của lỗ đen, chúng sẽ được tăng tốc đến vận tốc đáng kinh ngạc. Điều này khiến một số nhà vật lý đề xuất khai thác các lỗ đen để tạo ra các máy gia tốc hạt trong một nghiên cứu mới.

Nghiên cứu phát hiện ra rằng chúng ta có thể thiết lập mọi thứ cẩn thận để các hạt tại chân trời sự kiện không bị rơi vào trong lỗ đen mãi mãi. Ngoài ra, nghiên cứu cũng giúp chúng ta xác định các lỗ đen từ các dòng hạt thoát ra khỏi chúng.

Gia tốc một hạt bất kỳ

Giả sử một hạt bắt đầu đến gần lỗ đen, nó sẽ tăng tốc, giống như một quả bóng tăng tốc khi nó lăn xuống đồi. Trên thực tế, nó tệ hơn nhiều so với một quả bóng lăn xuống đồi, bởi vì lực hấp dẫn của một lỗ đen rất mạnh nên các hạt có thể rơi vào nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Tại đường chân trời sự kiện, các hạt siêu nhỏ có thể đạt tới tốc độ ánh sáng.

Nếu một hạt rơi vào bên trong chân trời sự kiện, nó sẽ bị mất vĩnh viễn và không có hy vọng thoát ra. Nếu chế tạo một máy gia tốc hạt trong khu vực đó là không nên, vì lỗ đen sẽ không bao giờ phun trở lại các hạt.

Nhưng đó là câu chuyện của một hạt riêng lẻ. Khi hai hoặc nhiều hạt tham gia, mọi thứ trở nên thú vị hơn.

Nhiều hạt cùng tham gia

Nếu hai hạt đến gần một lỗ đen, chúng sẽ gia tăng năng lượng rất lớn. Máy va chạm hạt hiện tại của chúng ta tăng tốc các hạt đến tốc độ hơn 99% so với tốc độ của ánh sáng, nhưng phải mất rất nhiều công sức (và trong trường hợp Large Hadron Collider cần một vòng siêu dẫn dài 27 km). Các lỗ đen tạo ra loại gia tốc mạnh mẽ này chỉ đơn giản là chúng đã có sẵn khả năng đó.

Khi hai hạt tiếp cận chân trời sự kiện, tốc độ của chúng tăng lên. Và nếu chúng va chạm theo vận tốc và hướng bay đến thích hợp, chúng có thể tách ra khỏi nhau. Khi đó, một trong số chúng lao thẳng vào bên trong chân trời sự kiện và biến mất, trong khi những hạt kia vượt qua rìa chân trời sự kiện và bay ra ngoài.

Những sự kiện này rất hiếm, nhưng nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng các hạt có khả năng đập vào nhau với năng lượng cao tùy ý – tất cả phụ thuộc vào mức độ chúng có thể đến gần chân trời sự kiện và cách chúng đạt được gần tốc độ ánh sáng tại thời điểm va chạm.

Sự gia tốc hạt này sẽ hoạt động tốt hơn nữa đối với các lỗ đen quay. Do độ quay cực lớn của chúng, các loại lỗ đen này có thể quay không-thời gian xung quanh chân trời sự kiện, cho phép nhiều hạt hơn đến vùng lân cận của chân trời sự kiện.

Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của toán học, kịch bản lỗ đen giống máy gia tốc này chỉ xuất hiện trong trường hợp cái được gọi là lỗ đen “cực hạn”. Đây là những lỗ đen lý thuyết có khối lượng nhỏ nhất có thể và có thể quay với tốc độ nhất định. Trong thực tế, các nhà khoa học cho rằng hầu như tất cả các lỗ đen đều có khối lượng lớn hơn nhiều so với mức cần thiết trong lý thuyết.

Điều này sẽ làm cho các lỗ đen trong thực tế trở thành “không cực đoan”, có nghĩa là cho đến nay, các nhà vật lý vẫn chưa chắc chắn liệu những lỗ đen thực tế có thể hoạt động như những máy gia tốc hạt hay không.

Khiến mọi thứ hoạt động

Nhờ vào nghiên cứu mới được công bố vào ngày 1 tháng 10 trong cơ sở dữ liệu arXiv trước khi in và chuẩn bị xuất bản trên tạp chí Physics Review D, các lỗ đen tích điện vẫn có thể gia tốc các hạt.

Tuy nhiên, chúng nhìn chung không phải là một máy gia tốc hạt. Để có được tốc độ cao cần thiết, các hạt tới lỗ đen phải bay đến với tốc độ cao. Nhưng các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nhiều vụ va chạm tốc độ thấp xảy ra gần chân trời sự kiện có thể thu được năng lượng cao mong muốn.

Nhưng thật không may, vì các vụ va chạm phải xảy ra gần chân trời sự kiện, thì khi thoát khỏi lỗ đen, các hạt phải chiến thắng lực hấp dẫn gần như áp đảo đó. Điều này sẽ làm chúng chậm lại trước khi bay vào không gian giữa các vì sao. Rất may, các nhà nghiên cứu cũng đã tìm ra giải pháp cho vấn đề đó khi cho rằng các vụ va chạm năng lượng cao có thể xảy ra xung quanh các lỗ đen đang quay mà không cần đến quá gần chân trời sự kiện.

Văn Thiện
Theo Live Science
Nguồn: ntdvn.com

Các bài viết liên quan:

VIDEO GỢI Ý

,