Trong thời gian bạn cần để kết thúc một bữa trưa, nhiều cặp lỗ đen đang sáp nhập ở đâu đó trong vũ trụ. Đó là một bức tranh đáng ngạc nhiên được biết tới qua những quan sát của Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa laser (LIGO). Vào tháng hai vừa qua, LIGO đã công bố ghi nhận đầu tiên về sóng hấp dẫn, xác nhận một dự đoán quan trong trong thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Làn sóng lịch sử này đã tới Trái Đất từ cuộc sáp nhập của một cặp lỗ đen cách chúng ta 1,3 tỷ năm ánh sáng.
Nhưng không chỉ có thế, LIGO còn thấy một tín hiệu khác cũng không hề kém hấp dẫn. Mặc dù không mạnh, nhưng nó cũng rất hứa hẹn.
Cuộc va chạm khác
Một phân tích về sự kiện vừa nêu, kí hiệu LVT151012, cho thấy 90% rằng nó cũng đến từ vụ va chạm của một cặp lỗ đen. Mặc dù nó không đủ lớn để có thể khẳng định rằng nó được ghi nhận, nhưng nhóm nghiên cứu của LIGO tự tin rằng họ có thể dùng nó để cùng vẽ nên một bức tranh về các lỗ đen trong vũ trụ.
"Dự đoán tốt nhất chúng tôi có là các cặp lỗ đen trong vũ trụ của chúng ta sáp nhập với nhau cứ vài giờ một vụ", Jolien Creighton của Đại học University of Wisconsin-Milwaukee, nhà khoa học của LIGO cho biết.
Giả sử rằng trường hợp vừa nhắc tới không phải ngoại lệ, thì ngoại suy từ việc hai vụ sáp nhập được phát hiện trong vòng 16 ngày ra qui mô lớn hơn của vũ trụ (vì LIGO chỉ có thể thu được tín hiệu trong phạm vi khoảng cách và góc nhìn giới hạn) thì các nhà khoa học tính ra rằng có vài cặp lỗ đen sáp nhập như vậy mỗi giờ trong vũ trụ.
Dựa trên các tín hiệu thu được và khả năng của LIGO, các nhà khoa học ước tính rằng họ sẽ quan sát được từ 10 đến 100 vụ sáp nhập lỗ đen vào lần hoạt động tiếp theo của LIGO, sẽ bắt đầu vào cuối hè này.
Những khảo sát đầu tiên
Lỗ đen đúng như tên của chúng, chúng không phát ra ánh sáng. Vậy nên trước khi có LIGO, các nhà thiên văn học chỉ có thể xác định sự tồn tại của lỗ đen qua quan sát tương tác của nó với các vật thể trong trường hấp dẫn của nó. Các nhà thiên văn học chủ yếu tập trung vào các lỗ đen tạo thành từ các sao lớn đã được biết: Họ quan sát tia X được phát ra khi chúng hút vật chất từ sao đồng hành.
LIGO cung cấp cách thức đầu tiên để thăm dò lỗ đen. Các nhà vật lý biết chúng tồn tại, nhưng thiết bị cho phép họ thực sự đo được không-thời gian của lỗ đen và cho thấy nó phù hợp với lý thuyết. LIGO có khả năng này vì nó không bị ràng buộc bởi sóng điện từ, cặp máy thu của nó có thể phát hiện những sự kéo căng hay ép co không gian rất nhỏ do sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn mang thông tin về khối lượng, spin và vị trí của lỗ đen.
Cho tới nay, chỉ có 19 lỗ đen có khối lượng cỡ sao được biết tới trong Milky Way. Con số đó chắc chắn là chưa chính xác khi xét rên qui mô thiên hà của chúng ta với hàng trăm tỷ sao. Thực tế, trước khi có LIGO, các nhà khoa học không chắc về việc tự nhiên có thể tạo ra các cặp lỗ đen đồng hành cũng như việc chúng có thể sáp nhập. Ước tính lý thuyết dự đoán rằng LIGO sẽ thu được tín hiệu của khoảng 40 vụ sáp nhập sao neutron vad 10 đến 20 sáp nhập lỗ đen mỗi năm.
Viết lại tiến hóa của sao
Một trong những việc đầu tiên mà khảo sát lỗ đen này có thể làm là viết lại cuốn sách về tiến hóa của sao.
Các nhà khoa học có nhiều thông tin về cách mà các sao đơn tồn tại và chết đi. Các sao như Mặt Trời của chúng ta sẽ phồng to thành các sao khổng lồ đỏ trước khi chúng thổi tung lớp ngoài thành tinh vân hành tinh. Các sao lớn hơn 8 lần khối lượng Mặt Trời sẽ phát nổ supernova, còn các sao có khối lượng ít nhất 25 lần khối lượng Mặt Trời về lý thuyết sẽ trở thành lỗ đen.
Nhưng hầu hết sao trong Milky Way là các cặp sao kép. Vậy nên hiểu rõ những cặp sao như vậy là yếu tố cơ bản để hiểu toàn bộ tiến hóa của sao.
"Tiến hóa của sao kép phức tạp hơn nhiều tiến hóa của sao đơn", Creighton nói. "Có nhiều quá trình hơn có thể xảy ra - khối lượng được chuyển giữa các đồng hành, gió, tác động của supernova, đủ mọi thứ."
Điều thú vị là nhiều mô hình về tiến hóa sao kép đã không dự đoán được các lỗ đen lớn như hai lỗ đen đã được LIGO công bố hồi tháng hai. Tín hiệu sóng hấp dẫn đầu tiên đó đến từ vụ sáp nhập của hai lỗ đen có khối lượng 36 và 29 lần khối lượng Mặt Trời.
Các sao này thường hình thành trong môi trường ít kim loại trong giai đoạn sớm của vũ trụ. Nhưng cũng có thể cặp lỗ đen này được sinh ra trong một cụm sao đặc nơi mà các sao tương tác với nhau nhiều hơn.
Với nhiều quan sát hơn của LIGO, các nhà thiên văn học có thể bắt đầu xác định kích thước của hầu hết các lỗ đen khối lượng sao. Tín hiệu thứ hai được tạm tính là LVT151012 có hai lỗ đen khối lượng 23 và 13 lần khối lượng Mặt Trời.
Bryan
Theo Astronomy
