Trong 7 năm qua, các nhà khoa học làm việc tại dự án hợp tác LIGO-Virgo* (LVC) đã phát hiện thấy 90 tín hiệu của sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn là những nhiễu loạn trong cấu trúc của không-thời gian thành các dạng sóng lan ra phía ngoài từ các sự kiện vũ trụ dữ dội như sự sáp nhập của các lỗ đen kép (BBH). Trong các quan sát được thu thập từ nửa giai đoạn đầu của chương trình thử nghiệm gần đây nhất, kéo dài trong 6 tháng vào năm 2019 thì dự án này đã xác nhận được các tín hiệu từ 44 sự kiện BBH.
Nhưng có những điểm khác thường nằm ẩn khuất trong các dữ liệu này. Vì thế, một nhóm các nhà vật lý thiên văn quốc tế đã mở rộng tìm kiếm để kiểm tra lại dữ liệu và họ đã phát hiện thấy thêm 10 lỗ đen sáp nhập nữa - tất cả chúng đều nằm ngoài ngưỡng phát hiện trong phân tích ban đầu của LVC. Những vụ sáp nhập mới này gợi ý các kịch bản kỳ lạ trong vật lý thiên văn mà bây giờ chỉ có thể nghiên cứu dựa vào việc vận dụng kiến thức về thiên văn học sóng hấp dẫn.
Nhà vật lý Seth Olsen, hiện là ứng viên tiến sĩ tại Đại học Princeton (bang New Jersey - Mỹ) cũng là người dẫn đầu phân tích mới này cho biết: “Với sóng hấp dẫn, chúng tôi đang dần bắt đầu quan sát được nhiều lỗ đen đã sáp nhập trong vài tỷ năm qua”. Mọi quan sát đều sẽ góp phần gia tăng hiểu biết của chúng ta về cách mà các lỗ đen hình thành và phát triển, và để nhận thấy được chúng thì điều quan trọng là phải tìm ra những giải pháp hiệu quả để tách các tín hiệu thu được khỏi tiếng ồn.
Olsen sẽ mô tả cách mà nhóm của ông đã tìm thấy các vụ sáp nhập này vào ngày 11 tháng 4 trong một phiên họp tại sự kiện do Hiệp hội Khoa học Tâm lý (APS) tổ chức vào tháng 4 năm 2022. Olsen cũng sẽ trả lời các câu hỏi từ giới truyền thông tại cuộc họp báo trực tuyến diễn ra vào ngày 10 tháng 4 lúc 10h sáng EDT (tức 21h theo giờ Việt Nam).
Đáng chú ý là các quan sát bao gồm những hiện tượng từ cả lỗ đen khối lượng cao lẫn lỗ đen khối lượng thấp, điều này lấp đầy các khoảng trống được dự đoán trong phổ khối lượng của lỗ đen mà rất ít nguồn đã được phát hiện. Hầu hết các mô hình vật lý hạt nhân đều cho thấy rằng các sao không thể sụp đổ thành những lỗ đen có khối lượng gấp từ khoảng 50 tới 150 lần khối lượng của Mặt Trời. Olsen cho biết: “Khi tìm thấy một lỗ đen có khối lượng nằm trong phạm vi trên thì chúng tôi sẽ biết được nhiều thứ hơn nữa về cách mà hệ kép này đã hình thành, vì khả năng cao là một lỗ đen có khối lượng nằm trong phạm vi như vậy chính là sản phẩm của một vụ sáp nhập trước đó.”
Các mô hình vật lý hạt nhân cũng cho thấy rằng các sao có khối lượng nhỏ hơn 2 lần Mặt Trời sẽ trở thành sao neutron thay vì lỗ đen, nhưng hầu như tất cả các lỗ đen quan sát được đều có khối lượng gấp 5 lần Mặt Trời. Các quan sát về những vụ sáp nhập khối lượng thấp có thể giúp thu hẹp phạm vi về khối lượng giữa các sao neutron và các lỗ đen nhẹ nhất được biết tới. Với phạm vi khối lượng dưới và trên (các lỗ đen có khối lượng nằm trong phạm vi khối lượng dưới (gấp khoảng 2-5 lần Mặt Trời) và phạm vi khối lượng trên (gấp khoảng 50-150 lần Mặt Trời) sẽ không thể trực tiếp được hình thành từ những vụ sụp đổ sao), thì một số lượng nhỏ lỗ đen đã được tìm thấy, nhưng các phát hiện mới này cho thấy những loại lỗ đen như vậy lại phổ biến hơn chúng ta nghĩ, Olsen cho biết.
Các phát hiện mới này cũng bao gồm một hệ lỗ đen kép mà các nhà khoa học chưa từng thấy trước đây: một lỗ đen nặng mà đĩa bồi tụ của nó đang quay theo một hướng đang dần nuốt chửng một lỗ đen có khối lượng nhỏ hơn nhiều chuyển động quanh nó theo hướng ngược lại. Olsen cho biết: “Hướng quay của đĩa bồi tụ lỗ đen nặng hơn không hoàn toàn ngược với quỹ đạo của lỗ đen kia mà là nghiêng ở đâu đó sang một bên và bị lộn ngược, điều này cho chúng ta biết rằng hệ lỗ đen kép này có thể bắt nguồn từ một phần thú vị của sự sáp nhập BBH nơi các góc giữa quỹ đạo BBH và hướng quay của đĩa bồi tụ lỗ đen đều là ngẫu nhiên.”
Để xác định các sự kiện như sáp nhập lỗ đen cần có một chiến lược là làm sao có thể phân biệt được các tín hiệu có ý nghĩa với tiếng ồn nền trong dữ liệu quan sát. Việc này giống như các ứng dụng trên điện thoại thông minh có thể phân tích được tiếng nhạc - ngay cả khi nó được phát ở một nơi đông người - và xác định bài hát nào đang được phát ra. Cũng giống như một ứng dụng đối chiếu tiếng nhạc với cơ sở dữ liệu chứa các mẫu hoặc tín hiệu tần số của các bài hát có sẵn, thì một chương trình tìm kiếm sóng hấp dẫn sẽ đối chiếu dữ liệu quan sát được với danh mục các sự kiện đã biết, chẳng hạn như sự kiện sáp nhập lỗ đen.
Để tìm thấy được thêm 10 vụ sáp nhập lỗ đen này, Olsen và các cộng sự của mình đã phân tích dữ liệu LVC bằng việc sử dụng “quy trình IAS”, một phương pháp được phát triển lần đầu tiên tại Viện Nghiên cứu Cao cấp (bang New Jersey - Mỹ) và do nhà vật lý thiên văn ở Princeton là Matias Zaldarriaga dẫn đầu. Quy trình IAS khác với quy trình được LVC sử dụng ở 2 điểm quan trọng. Đầu tiên, IAS kết hợp giữa phân tích dữ liệu tiên tiến và các kỹ thuật số nhằm nâng cao tính hiệu quả của việc tính toán và xử lý tín hiệu của các quy trình LVC. Thứ hai, IAS sử dụng phương pháp thống kê loại bỏ một số độ nhạy ở các nguồn mà phương pháp tiếp cận LVC có nhiều khả năng tìm thấy nhất để thu được độ nhạy đối với các nguồn mà phương pháp tiếp cận LVC dễ bỏ sót nhất, chẳng hạn như các lỗ đen có đĩa bồi tụ quay với tốc độ nhanh.
Trước đây, Zaldarriaga và nhóm của ông đã sử dụng quy trình IAS để phân tích dữ liệu từ các lần thử nghiệm trước đó của LVC và các vụ sáp nhập lỗ đen được xác định tương tự đã bị bỏ sót trong phân tích ban đầu. Olsen cho biết, về mặt tính toán thì việc mô phỏng toàn bộ vũ trụ là không khả thi hay thậm chí là có quá nhiều cách kỳ lạ mà các lỗ đen có thể hình thành. Nhưng các công cụ hỗ trợ như quy trình IAS “có thể đặt nền tảng cho các mô hình thậm chí còn chính xác hơn trong tương lai.”
(*) Hợp tác LIGO-Virgo (LVC): là một liên minh hợp tác giữa các nhà khoa học thuộc đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa thế laser (LIGO) nằm ở 2 bang Washington và bang Louisiana của Mỹ và các nhà khoa học thuộc đài quan sát Virgo nằm gần thành phố Pisa của Ý.
Hồng Anh
Theo Phys.org
