Một nền sóng hấp dẫn bí ẩn có tần số cực thấp được phát hiện bởi các mạng lưới pulsar có thể mang thông tin về những sự kiện bắt đầu từ hơn 13 tỷ năm trước, trong đó có sự hình thành của một số lỗ đen siêu nặng đầu tiên trong vũ trụ.
Trong một nghiên cứu mới được công bố ngắn (dạng letter) trên Physical Review D, Sohan Ghodla và Cosmin Ilie thuộc đại học Colgate, đã tìm hiểu xem liệu các lỗ đen siêu nặng hình thành trong vũ trụ sơ khai có phải là nguyên nhân tạo ra một phần đáng kể của nền sóng hấp dẫn hiện được quan sát bởi các mảng định thời pulsar (viết tắt là PTA) hay không.
Kết quả của họ thiết lập mối liên hệ trực tiếp giữa hai lĩnh vực quan sát tưởng như khác biệt: các quan sát về những lỗ đen có khối lượng lớn bất ngờ trong vũ trụ giai đoạn đầu và các sóng hấp dẫn được tạo ra bởi các cặp lỗ đen siêu nặng hàng tỷ năm sau đó.
Đáng chú ý, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, một quần thể hạt giống lỗ đen sơ khai - những lỗ đen được tạo ra bởi sự sụp đổ của các sao tối siêu nặng - có khả năng đóng góp chủ yếu vào tín hiệu PTA quan sát được.
Ilie cho biết: "Người ta thường cho rằng các mảng định thời pulsar là công cụ thăm dò các cặp lỗ đen siêu nặng trong vũ trụ ở giai đoạn tương đối gần đây. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy tín hiệu này cũng có thể chứa thông tin về cách mà tổ tiên của những lỗ đen đó được hình thành vào buổi bình minh của vũ trụ. Theo đó, các sóng hấp dẫn được quan sát ngày nay có thể cung cấp một góc nhìn mới về sự ra đời của những lỗ đen siêu nặng đầu tiên".
Sử dụng đồng hồ vũ trụ để phát hiện các lỗ đen khổng lồ
Các mảng định thời pulsar sử dụng những sao neutron quay nhanh gọi là pulsar làm đồng hồ vũ trụ có độ chính xác cực cao. Khi các sóng hấp dẫn truyền qua những sao này, nó sẽ làm thay đổi rất nhỏ thời điểm mà các xung vô tuyến truyền đến Trái Đất. Bằng cách theo dõi nhiều pulsar trong nhiều năm, các nhóm hợp tác trên khắp thế giới đã phát hiện ra bằng chứng về một nền sóng hấp dẫn ngẫu nhiên ở tần số nanohertz.
Lời giải thích vật lý thiên văn hàng đầu là: một quần thể vũ trụ gồm các cặp lỗ đen siêu nặng đang xoắn vào nhau. Những lỗ đen có tổng khối lượng lớn hơn khoảng một tỷ lần khối lượng Mặt Trời đặc biệt quan trọng trong việc đóng góp vào tín hiệu ở tần số PTA.
Tuy nhiên, việc hình thành những lỗ đen khổng lồ như vậy lại đặt ra một câu hỏi khác: Nguồn gốc ban đầu của chúng đến từ đâu? Các quan sát bằng kính thiên văn không gian James Webb và Chandra đã phát hiện ra rằng, những lỗ đen có khối lượng lớn xuất hiện sớm một cách đáng ngạc nhiên trong lịch sử vũ trụ, làm gia tăng sự quan tâm đến các cơ chế có khả năng nhanh chóng tạo ra các hạt giống lỗ đen khối lượng lớn.
Ghodla và Ilie đặt ra câu hỏi rằng, liệu hậu duệ của những hạt giống sơ khai như vậy có thể tồn tại và phát triển cùng với các thiên hà chủ, để cuối cùng hình thành nên các cặp lỗ đen và tạo ra nền sóng hấp dẫn mà chúng ta đo đạc được hàng tỷ năm sau đó hay không?
Nền sóng hấp dẫn nanohertz được dự đoán từ hậu duệ của các mầm lỗ đen siêu nặng sơ khai. Các mô hình trong đó lỗ đen bắt nguồn từ sự suy sụp của các sao tối siêu nặng có thể đạt tới mức nền sóng hấp dẫn được đo bởi các mảng định thời pulsar, trong khi quần thể lỗ đen suy sụp trực tiếp hiếm hơn nhiều được xem xét trong nghiên cứu tạo ra tín hiệu yếu hơn đáng kể. Nguồn: Physical Review D (2026). DOI: 10.1103/hvfd-8fkr
Một dấu hiệu sóng hấp dẫn khả dĩ của các sao tối
Các nhà nghiên cứu đã xem xét hai cách thức hình thành lỗ đen sơ khai: lỗ đen sụp đổ trực tiếp và sự sụp đổ của các sao tối siêu nặng.
Sao tối là một loại sao nguyên thủy được đề xuất, có nguồn năng lượng chính là sự nung nóng liên quan đến vật chất tối thay vì phản ứng nhiệt hạch thông thường. Trong kịch bản vật chất tối WIMP được xem xét trong nghiên cứu, các sao tối có thể duy trì trạng thái tương đối lạnh và giãn nở trong khi vẫn tiếp tục bồi tụ vật chất, chúng có khả năng đạt khối lượng gấp 1 triệu lần khối lượng Mặt Trời trở lên trước khi sụp đổ thành những lỗ đen có khối lượng lớn.
Trong công trình nghiên cứu này, Ghodla và Ilie theo dõi quá trình tiến hóa vũ trụ của các lỗ đen được tạo ra từ những hạt giống như vậy, mô hình hóa các quầng vật chất tối nơi chúng cư trú, tính toán tốc độ sáp nhập của chúng và dự đoán nền sóng hấp dẫn thu được. Họ nhận thấy rằng, nếu tàn dư của các sao tối siêu nặng có mật độ số bậc vào khoảng (10-3) Mpc-3, thì hậu duệ của chúng có thể đóng góp đáng kể - và có khả năng chi phối - vào tín hiệu sóng hấp dẫn của PTA.
Quần thể lỗ đen sụp đổ trực tiếp được xem xét trong nghiên cứu được cho là hiếm hơn nhiều, với mật độ đặc trưng khoảng (10-6) Mpc-3, và do đó tạo ra đóng góp nhỏ hơn đáng kể.
Biến sóng hấp dẫn thành phép thống kê của vũ trụ sơ khai
Điểm then chốt của công trình này là các phép đo PTA hiện tại có thể được sử dụng để đặt giới hạn trên về mức độ phong phú của các hạt giống lỗ đen siêu nặng trong vũ trụ sơ khai hay không. Ghodla cho biết: "Tạo ra quá nhiều những hạt giống lỗ đen có khối lượng lớn sẽ dẫn đến việc tạo ra quá mức tín hiệu mà PTA đã phát hiện được. Còn tạo ra quá ít thì bạn sẽ cần những nguồn khác để hình thành một cách hiệu quả các lỗ đen siêu nặng này vào những giai đoạn sau trong lịch sử vũ trụ, nhằm phù hợp với các quan sát PTA".
Đối với các mô hình được nghiên cứu, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng mật độ hạt giống xấp xỉ phạm vi (10-2-(10-1) Mpc-3 sẽ bắt đầu tạo ra quá mức nền sóng hấp dẫn đo được, với giới hạn cụ thể phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng của các quầng vật chất tối nơi các hạt giống được hình thành.
Điều này có nghĩa là các quan sát PTA có khả năng làm được một điều bất ngờ: hạn chế số lượng các vật thể tồn tại ở độ dịch chuyển đỏ lớn hơn 10, mặc dù các vụ sáp nhập tạo ra sóng hấp dẫn của các hậu duệ của chúng xảy ra muộn hơn nhiều. Phép tính này cũng xác nhận một kết quả trước đó rằng, các cặp lỗ đen có tổng khối lượng xấp xỉ trên (109) khối lượng Mặt Trời chiếm ưu thế trong tín hiệu PTA dự đoán. Các cặp có khối lượng nhỏ hơn thì đóng góp ít hơn đáng kể.
Kết quả nghiên cứu mang lại một mối liên hệ quan sát mới giữa vật lý vật chất tối, sự hình thành các vật thể phát sáng đầu tiên, nguồn gốc của các lỗ đen siêu nặng và thiên văn học sóng hấp dẫn.
Ilie cho biết: "Sao tối ban đầu được đề xuất như những vật thể có thể được quan sát trực tiếp ở vũ trụ sơ khai. Nghiên cứu này chỉ ra một cách hoàn toàn khác để kiểm chứng vai trò khả dĩ của chúng trong lịch sử vũ trụ. Hậu duệ của chúng có thể để lại dấu ấn sóng hấp dẫn tồn tại cho đến tận vũ trụ ngày nay".
Do đó, những cải thiện về phép đo PTA trong tương lai, kết hợp với các giới hạn phù hợp hơn đối với các quần thể lỗ đen ở độ dịch chuyển đỏ cao và các thiên hà chủ của chúng, có thể giúp phân biệt giữa các kịch bản khác nhau về nguồn gốc của các lỗ đen siêu nặng đầu tiên trong vũ trụ.
Minh Phương
Theo Phys.org
