Điều gì sẽ xảy ra nếu một số vật thể lâu đời nhất trong Vũ trụ thực chất còn già hơn cả bản thân Vụ Nổ Lớn?

Một nghiên cứu mới từ Đại học Portsmouth gợi ý rằng các hố đen cổ đại có thể đã sống sót từ thời điểm trước khi Vũ trụ mà chúng ta biết đến tồn tại. Những tàn tích giả thuyết này, được mô tả là "hóa thạch vũ trụ", có thể đã chịu đựng được một cuộc chuyển giao vũ trụ dữ dội và vẫn đang rải rác khắp không gian ngày nay. Nếu chúng tồn tại, chúng có thể giúp giải mã một trong những bí ẩn lớn nhất của thiên văn học: danh tính của vật chất tối – thứ chất vô hình dường như có khối lượng vượt trội hơn vật chất thông thường và định hình sự phát triển của các thiên hà.

Nghiên cứu này thách thức quan điểm truyền thống cho rằng mọi thứ đều bắt đầu từ một vụ nổ Big Bang đơn lẻ. Thay vào đó, nó khám phá một kịch bản "nảy bật", trong đó Vũ trụ từng co lại trước khi đảo ngược quá trình để giãn nở như chúng ta quan sát thấy ngày nay. Trong bức tranh đó, một số cấu trúc có thể đã sống sót qua giai đoạn chuyển giao, mang theo thông tin từ một kỷ nguyên vũ trụ có trước cả ánh sáng sơ khai nhất mà ta có thể quan sát được của Vũ trụ.

Thách thức bức tranh Big Bang tiêu chuẩn

Giáo sư Enrique Gaztañaga, tác giả chính của nghiên cứu đến từ Viện Vũ trụ học và Hấp dẫn thuộc Đại học Portsmouth kiêm Viện Khoa học Vũ trụ ở Barcelona, cho biết: “Trong gần một thế kỷ qua, các nhà vũ trụ học đã truy nguyên lịch sử của Vũ trụ về một thời điểm dữ dội duy nhất được gọi là Big Bang. Trong bức tranh tiêu chuẩn, không gian và thời gian xuất hiện từ một trạng thái cực kỳ nóng và đặc vào khoảng 13,8 tỷ năm trước, tiếp theo là hàng tỷ năm giãn nở vũ trụ và hình thành thiên hà.

"Mô hình này đã thành công rực rỡ. Nó giải thích được Bức xạ nền vi sóng vũ trụ – bức xạ mờ nhạt còn sót lại từ Vũ trụ sơ khai – và dự đoán chính xác cách các thiên hà phân bố trên các khoảng cách vũ trụ bao la.

"Nhưng một số bí ẩn sâu sắc nhất của vật lý vẫn chưa được giải quyết. Chúng ta vẫn chưa biết điều gì đã kích hoạt Big Bang, tại sao Vũ trụ lại bắt đầu ở một trạng thái đặc biệt như vậy, điều gì đã gây ra giai đoạn giãn nở nhanh chóng trong thời gian ngắn được gọi là lạm phát, hay 'vật chất tối' vô hình chiếm tỷ lệ lớn hơn vật chất thông thường khoảng năm lần là gì.

"Nghiên cứu của chúng tôi khám phá một khả năng có thể kết nối nhiều câu đố này lại với nhau: Vũ trụ có thể hoàn toàn không bắt đầu bằng một vụ nổ đơn lẻ, mà thay vào đó xuất hiện từ một cú nảy bật vũ trụ mô phỏng lại quá trình lạm phát, với một số vật thể lâu đời nhất trong Vũ trụ có tiềm năng sống sót như những tàn tích từ trước đó."

Theo các nhà nghiên cứu, một số hố đen có thể đã hình thành trước cú nảy bật và tiếp tục tồn tại qua giai đoạn chuyển giao sang Vũ trụ đang giãn nở. Những vật thể cổ đại này vẫn có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và sự tiến hóa của các thiên hà hàng tỷ năm sau đó.

Những hố đen khác có thể đã hình thành ngay sau cú nảy bật. Trong kịch bản này, những biến động mật độ lớn bất thường trong Vũ trụ sơ khai sẽ tạo ra các vùng tập trung vật chất đậm đặc, khiến chúng dễ dàng sụp đổ hơn dưới tác dụng của trọng lực, giúp các hố đen và các cấu trúc vũ trụ lớn khác hình thành ở giai đoạn đầu.

Một Vũ trụ "nảy bật" thay vì bắt đầu từ hư vô

Trong thuyết tương đối tổng quát của Einstein, Big Bang gắn liền với một "điểm kỳ dị" (singularity) – một trạng thái mà mật độ trở nên vô hạn và các định luật vật lý đã biết không còn áp dụng được nữa. Nhiều nhà vật lý coi đây là bằng chứng cho thấy các lý thuyết hiện tại không thể mô tả đầy đủ những khoảnh khắc đầu tiên của Vũ trụ.

Một giải pháp thay thế được đề xuất là vũ trụ học nảy bật. Trong mô hình này, Vũ trụ bắt đầu như một đám mây khổng lồ co lại trước khi đảo ngược hướng và giãn nở trở lại. Thay vì chạm tới một điểm kỳ dị vô hạn, nó đạt đến một mật độ cực kỳ cao nhưng có hạn trước khi bật ngược trở lại.

Giáo sư Gaztañaga nói thêm: “Các điểm kỳ dị thường là dấu hiệu cho thấy mô tả lý thuyết của chúng ta đã chạm đến giới hạn. Một cú nảy bật cung cấp một cách để Vũ trụ chuyển từ trạng thái co cụm sang giãn nở mà không cần đến các giả thuyết vật lý kỳ lạ mới.”

Giải thích lạm phát, năng lượng tối và vật chất tối

Nhóm nghiên cứu lập luận rằng một cú nảy bật như vậy có thể xuất hiện một cách tự nhiên từ vật lý lượng tử. Ở mật độ cực cao, các hiệu ứng lượng tử có thể tạo ra áp suất ngăn cản vật chất bị nén lại vô hạn – một quá trình vốn đã được biết đến là giúp ổn định các vật thể đậm đặc như sao lùn trắng và sao neutron, đồng thời tái tạo lại giai đoạn giãn nở lạm phát.

Trong mô hình mới, loại áp suất lượng tử tương tự có thể hoạt động trên quy mô của toàn bộ Vũ trụ. Khi quá trình co lại diễn ra, áp suất đó có thể chặn đứng sự sụp đổ và kích hoạt một đợt giãn nở mới.

Các nhà nghiên cứu gợi ý cơ chế này cũng có thể giải quyết hai câu đố vũ trụ lớn. Nó có thể giúp giải thích hiện tượng lạm phát – giai đoạn giãn nở nhanh chóng và đồng đều một cách đáng ngạc nhiên trong Vũ trụ sơ khai. Nó cũng có thể mang lại cái nhìn sâu sắc về sự tăng tốc hiện tại của quá trình giãn nở vũ trụ, điều thường được quy cho năng lượng tối.

Một dự đoán đặc biệt hấp dẫn là một số cấu trúc được tạo ra trong pha co lại có thể đã sống sót qua cú nảy bật. Các tính toán của nhóm chỉ ra rằng các vật thể đặc có kích thước lớn hơn khoảng 90 mét (295 feet) có thể vượt qua giai đoạn chuyển giao và xuất hiện trong Vũ trụ đang giãn nở.

Các tàn tích tiềm năng bao gồm sóng hấp dẫn, các biến động mật độ, và các hố đen cổ đại.

Những hố đen sống sót này cũng có thể liên quan đến vật chất tối. Nếu có đủ số lượng hố đen hình thành trong cú nảy bật, chúng có thể chiếm một phần đáng kể vật chất tối, hoặc thậm chí là toàn bộ lượng vật chất tối đó.

Những manh mối trong Vũ trụ sơ khai

Mô hình này cũng có thể giúp giải thích các quan sát gần đây của Kính viễn vọng Không gian James Webb về các vật thể khổng lồ xuất hiện một cách bất ngờ trong Vũ trụ non trẻ, thường được gọi là các "chấm đỏ nhỏ". Nhiều nhà thiên văn học tin rằng những nguồn này có liên quan đến các hố đen đang phát triển nhanh chóng, xuất hiện sớm một cách đáng ngạc nhiên trong lịch sử vũ trụ.

“Nếu các hố đen khổng lồ đã tồn tại ngay sau cú nảy bật, Vũ trụ sơ khai sẽ không cần phải bắt đầu từ con số không khi xây dựng các thiên hà đầu tiên,” Gaztañaga nói.

Lý thuyết này mở ra một vài phương pháp để kiểm chứng các dự đoán của nó. Các quan sát trong tương lai có thể tìm kiếm các sóng hấp dẫn tàn tích từ một kỷ nguyên vũ trụ trước đó, hoặc tìm kiếm các dấu hiệu tinh vi trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ vốn còn lưu giữ bằng chứng về các điều kiện trước Vụ Nổ Lớn.

“Còn rất nhiều việc phải làm để kiểm chứng những ý tưởng này,” Gaztañaga nói thêm. “Nhưng nếu Vũ trụ thực sự đã trải qua một cú nảy bật, thì các cấu trúc tối đang định hình các thiên hà ngày nay có thể chính là tàn dư từ một kỷ nguyên vũ trụ có trước cả Big Bang.”