Các nhà khoa học tạo ra ‘bom hố đen’ trong phòng thí nghiệm lần đầu tiên trong lịch sử

Các nhà khoa học lần đầu tiên tạo ra “bom hố đen” (black hole bomb) trong phòng thí nghiệm, xác nhận một lý thuyết đã tồn tại hơn nửa thế kỷ. Bước đột phá này giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách các hố đen quay trong vũ trụ và các khái niệm liên quan.

Theo trang tin khoa học Live Science, các nhà vật lý người Mỹ William Press và Saul Teukolsky vào năm 1972 đã mô tả một hiện tượng lý thuyết được gọi là “bom hố đen”, ám chỉ việc một chiếc gương sẽ phản xạ và khuếch đại sóng điện từ phát ra từ một hố đen đang quay theo cấp số nhân.

Quan điểm này có thể được truy ngược về nền tảng được đặt ra bởi hai nhà vật lý khác. Thứ nhất là nhà vật lý toán học người Anh đồng thời là người đoạt giải Nobel Roger Penrose, người vào năm 1969 đã đề xuất một phương pháp để trích xuất năng lượng từ một hố đen đang quay.

Sau đó, nhà vật lý thiên văn người Liên Xô trước đây Yakov Zel’dovich vào năm 1971 qua nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, trong các điều kiện thích hợp, một vật thể đang quay có thể khuếch đại sóng điện từ. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Zel’dovich.

Ngày nay, các nhà vật lý từ các viện nghiên cứu như Đại học Southampton và Đại học Glasgow ở Anh đã tạo ra trong phòng thí nghiệm một “bom hố đen” có thể kiểm chứng hiệu ứng Zel’dovich, giúp các nhà vật lý thiên văn hiểu rõ hơn về cách các hố đen quay.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng khái niệm về hiệu ứng Zel’dovich để tiến hành thí nghiệm. Họ đã thiết kế một trụ nhôm được dẫn động bởi mô-tơ điện để quay, và quấn ba lớp cuộn dây kim loại xung quanh nó. Các cuộn dây này tạo ra từ trường và phản xạ nó trở lại trụ, đóng vai trò như một chiếc gương.

Khi các nhà nghiên cứu hướng một từ trường rất yếu vào trụ, họ quan sát thấy từ trường phản xạ từ trụ mạnh hơn, thể hiện hiện tượng siêu bức xạ (superradiance), tức là bị khuếch đại đáng kể.

Tiếp theo, họ loại bỏ từ trường yếu ban đầu từ các cuộn dây. Tuy nhiên, lúc này mạch điện sẽ tự tạo ra sóng điện từ, và trụ quay sẽ khuếch đại chúng, khiến các cuộn dây tích tụ năng lượng. Giữa tốc độ quay của trụ và từ trường được khuếch đại, hiệu ứng Zel’dovich đang diễn ra đầy đủ.

Zel’dovich trước đây cũng đã dự đoán rằng nếu tốc độ di chuyển bề mặt của một vật hấp thụ đang quay (như trụ) nhanh hơn tốc độ của sóng tới, nó sẽ chuyển từ hấp thụ sang khuếch đại, và thí nghiệm này đã chứng minh điều đó.

Các nhà nghiên cứu cho biết trong báo cáo được công bố trên cơ sở dữ liệu bản in trước trực tuyến arXiv: “Thí nghiệm được giới thiệu ở đây là sự hiện thực hóa trực tiếp của bộ khuếch đại vật hấp thụ quay. Bộ khuếch đại này lần đầu tiên được Zel’dovich đề xuất vào năm 1971 và sau đó được Press và Teukolsky phát triển thành khái niệm bom hố đen.”

Một trong những tác giả của báo cáo nghiên cứu, nhà nghiên cứu vật lý Maria Chiara Braidotti từ Đại học Glasgow, nói với trang tin Live Science rằng mặc dù nhóm nghiên cứu không tạo ra một hố đen thực sự, nhưng thiết bị tương tự này đã chứng minh một khái niệm quan trọng – siêu bức xạ quay và sự khuếch đại theo cấp số nhân là phổ biến và không chỉ áp dụng cho hố đen.

Braidotti nói thêm rằng mô hình này cũng có thể giúp các nhà vật lý hiểu rõ hơn về cách các hố đen quay và các khái niệm giao thoa giữa các lĩnh vực như vật lý thiên văn, nhiệt động lực học và lý thuyết lượng tử.