Khi nghĩ đến hố đen, chúng ta thường hình dung những vật thể có khối lượng gấp hàng triệu lần Mặt Trời hoặc ít nhất cũng lớn hơn nhiều lần một ngôi sao. Nhưng vật lý lý thuyết lại đưa ra một khả năng kỳ lạ hơn: hố đen có thể tồn tại với khối lượng cực kỳ nhỏ.

Ảnh: livescience

Những hố đen nhỏ giả thuyết này thường được gọi là hố đen nguyên thủy (primordial black holes). Khác với hố đen hình thành từ sự sụp đổ của các ngôi sao khổng lồ, chúng có thể đã xuất hiện trong những khoảnh khắc đầu tiên của Vũ trụ, khi vật chất còn nóng và đặc đến mức những vùng có mật độ cao bất thường có thể sụp đổ trực tiếp dưới lực hấp dẫn.

Điều đáng kinh ngạc là chúng có thể nhỏ đến mức nào?

Ảnh: scitechdaily

NASA cho biết về mặt lý thuyết, một hố đen có khối lượng tương đương Trái Đất sẽ chỉ có đường chân trời sự kiện rộng khoảng 1 inch, tức khoảng 2,5 cm. Một vật thể nặng bằng cả Trái Đất nhưng bị nén vào kích thước nhỏ như đồng xu – đó chính là mức độ cực đoan của vật lý hố đen.

Nhưng đây vẫn chưa phải giới hạn thấp nhất.

Khi đi xuống đến thang Planck, khoảng 10⁻³⁵ mét, các lý thuyết vật lý hiện nay bắt đầu gặp vấn đề. NASA từng mô tả một loại hố đen giả thuyết có khối lượng Planck khoảng 10⁻⁸ kg, tức chỉ vài chục microgram, với kích thước nhỏ hơn proton một khoảng khổng lồ. Tuy nhiên, ở quy mô này, thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử chưa thể được kết hợp thành một lý thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn chỉnh, vì vậy chúng ta không biết chắc liệu một “hố đen Planck” thực sự có thể tồn tại hay không.

Lại xuất hiện một vấn đề khác: bức xạ Hawking.

Ảnh: futurism

Theo lý thuyết của Stephen Hawking, hố đen không hoàn toàn “đen”. Chúng có thể phát ra một dạng bức xạ và mất dần năng lượng, từ đó giảm khối lượng. Hố đen càng nhỏ thì quá trình này càng mạnh và thời gian sống càng ngắn. Những hố đen nguyên thủy có khối lượng quá nhỏ có thể đã bay hơi hoàn toàn từ rất lâu trước ngày nay.

Điều đó có nghĩa là “hố đen nhỏ nhất có thể tồn tại” và “hố đen nhỏ nhất từng được quan sát” là hai câu hỏi hoàn toàn khác nhau. Hố đen nhẹ nhất NASA hiện liệt kê đã được quan sát có khối lượng khoảng 3,8 lần Mặt Trời – lớn hơn rất nhiều so với những hố đen nguyên thủy giả thuyết.

Cho đến nay, chưa có bằng chứng xác định nào chứng minh hố đen nguyên thủy tồn tại. Nhưng nếu chúng thực sự được tìm thấy, chúng có thể trở thành một trong những chìa khóa quan trọng để hiểu Vũ trụ sơ khai, vật chất tối và ranh giới giữa cơ học lượng tử với lực hấp dẫn.

Vì vậy, hố đen nhỏ nhất có thể không phải là một “quái vật” khổng lồ. Nó có thể nhỏ đến mức một vật thể gần như không thể nhìn thấy lại chứa một lượng vật chất đáng kinh ngạc – hoặc thậm chí là dấu vết của chính Vũ trụ sơ khai.