Một giả thuyết mới gợi ý rằng sự giãn nở của vũ trụ có thể dẫn tới sự gia tăng khối lượng của các vật thể trong nó.
Các lỗ đen trong vũ trụ lớn hơn so với trông đợi của các nhà vật lý thiên văn. Giờ đây, một nghiên cứu mới gợi ý lý do của việc này là: Mọi lỗ đen trong vũ trụ có lẽ đều lớn lên khi vũ trụ nở rộng.
Giả thuyết mới - có tên là "ghép nối vũ trụ học" - cho rằng khi vũ trụ giãn nở kể từ sau Big Bang, mọi vật thể có khối lượng đều lớn thêm cùng với quá trình đó. Trong số đó, các lỗ đen nằm trong số những vật thể có khối lượng lớn nhất, vì thế chúng lớn thêm nhiều nhất.
Giả thuyết này bắt nguồn từ những gợn sóng hấp dẫn trong không-thời gian xảy ra khi hai lỗ đen lớn khóa quỹ đạo với nhau, chuyển động xoắn vào nhau cho tới khi va chạm. Kể từ năm 2015, các nhà khoa học ở Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) và đài quan sát Virgo - những cơ sở được thiết kế với mục đích phát hiện sóng hấp dẫn - đã quan sát được nhiều vụ sáp nhập lỗ đen như vậy.
Nhưng những sóng này chứa bên trong một bí ẩn. Dựa trên kích thước ước tính về sự phân bố sao trong vũ trụ, các lỗ đen cần có khối lượng nhỏ hơn khoảng 40 lầ khối lượng Mặt Trời. Nhưng dữ liệu thu được từ các sóng hấp dẫn cho thấy nhiều lỗ đen có khối lượng quá 50 lần khối lượng của Mặt Trời, thậm chí một số lên tới 100 lần.
Lời giải thích phổ biến cho việc này là các lỗ đen lớn lên theo thời gian nhờ hút khí, bụi, các sao và thậm chí các lỗ đen khác. Nhưng vì các lỗ đen thường được hình thành sau những vụ nổ lớn mà chúng ta gọi là supernova xảy ra ở cuối đời các sao nặng, nhiều lỗ đen ra đời ở khu vực không còn lại bất cứ vật chất nào như vậy. Các nhà thiên văn đã đưa ra cả những lời giải thích khác, nhưng tất cả đều có mâu thuẫn với những hiểu biết đã có của các nhà khoa học về vòng đời của các ngôi sao. Không cách nào trong số đó giải thích được tính đa dạng về kích thước tới đáng kinh ngạc của các lỗ đen đã tham gia những cuộc sáp nhập mà chúng ta biết được qua sóng hấp dẫn.
Một nghiên cứu mới được công bố trên The Astrophysical Journal Letters hôm mùng 3 tháng 11 vừa qua đã đề xuất một cách giải thích cho cả khối lượng lớn cũng như nhỏ của các lỗ đen sáp nhập: khối lượng tăng thêm của các lỗ đen không phải kết quả của bất cứ thứ gì chúng ăn vào, mà đó là do chính sự giãn nở của vũ trụ.
Điều đó có nghĩa là mọi lỗ đen trong vũ trụ - bao gồm cả các lỗ đen sáp nhập được phát hiện qua sóng hấp dẫn cũng như những lỗ đen lang thang trong thiên hà, và cả lỗ đen siêu nặng khổng lồ ở trung tâm hầu hết các thiên hà - đều lớn lên theo thời gian.
Để tìm hiểu giả thuyết này, các nhà nghiên cứu xây dựng mô hình trong đó hai lỗ đen sáp nhập trong một vũ trụ đang giãn nở rộng ra thay vì cho vũ trụ cố định như cách của những nhóm nghiên cứu khác thường làm với mục đích đơn giản hóa những phương trình quá phức tạp (xuất phát từ thuyết tương đối rộng của Einstein).
Trong mô hình này, chỉ mất vài giây để hai lỗ đen chuyển động xoắn vào nhau và sáp nhập, vì vậy việc giả định rằng vũ trụ là tĩnh trong những khoảng thời gian ngắn như vậy có vẻ hợp lý. Nhưng nhóm nghiên cứu cho rằng như vậy thì các nhà khoa học có thể bỏ qua những biến đổi của các lỗ đen trong quá trình hàng tỷ năm chúng tồn tại trước khi va chạm với nhau.
Tác giả chính của nghiên cứu là Kevin S. Croker - hiện là giáo sư tại khoa Vật lý và Thiên văn học Mānoa ở Đại học Hawaii - cho biết: "Đó là một giả định đơn giản hóa các phương trình của Einstein, vì một vũ trụ không phát triển thì sẽ ít thứ cần quan tâm hơn. Tuy nhiên, có sự đánh đổi ở đó: các dự đoán có thể chỉ có ý nghĩa đối với một giới hạn thời gian nhất định."
Bằng cách mô phỏng hàng triệu cặp sao - từ khi chúng ra đời cho tới khi chết đi, các nhà khoa học đã có thể nghiên cứu những cặp mà sau khi chết trở thành những cặp lỗ đen và liên hệ với mức độ lớn lên của chúng tương ứng với sự giãn nở của vũ trụ. Sau khi so sánh một số dự đoán bởi mô hình vũ trụ mà họ tạo ra với dữ liệu LIGO-Virgo, các nhà nghiên cứu đã thật sự ngạc nhiên khi thấy chúng thật sự khớp với nhau.
"Tôi phải nói rằng, ban đầu tôi còn không biết phải nghĩ gì," đồng tác giả Gregory Tarlé - giáo sư vật lý tại Đại học Michigan - cho biết. "Đó là một ý tưởng thật sự đơn giản, tôi ngạc nhiên vì nó đúng như vậy."
Giả thuyết này nghe có vẻ kỳ lạ, nhưng ghép nối vũ trụ học tồn tại khắp mọi nơi trong vật lý thiên văn. Ví dụ nổi tiếng nhất về nó là dịch chuyển đỏ, trong đó vật thể dịch chuyển ra xa thì có bước sóng ánh sáng phát ra bị kéo dài ra.
Điều này có nghĩa là khi vũ trụ giãn nở và các sao dịch chuyển ra xa khỏi nhau - giống như những cái chấm được vẽ trên một quả bóng nay bị thổi căng ra - thì các photon trở nên "đỏ hơn" theo thời ian, mất năng lượng dần trong quá trình đó. Năng lượng ánh sáng như vậy được ghép nối vũ trụ học với sự giãn nở của vũ trụ.
Nếu giả thuyết của các nhà nghiên cứu là chính xác, thì có nghĩa rằng mọi thứ có khối lượng đều lớn lên: các sao, các sao neutron, các hành tinh và thậm chí con người. Tất nhiên, sự ghép nối này yếu hơn nhiều đối với chúng ta khi so với các lỗ đen.
"Ghép nối vũ trụ học áp dụng cả cho những vật thể và vật chất khác trong vũ trụ, nhưng liên kết đó quá yếu để bạn có thể thấy được hiệu ứng nó gây ra," Croker nói. "Đối với những loại lỗ đen mà chúng tôi đã đưa vào giả thuyết, ghép nối mạnh gấp hàng triệu lần so với ghép nối mà bạn trông đợi ở lõi của Mặt Trời. Và ngay cả với những lỗ đen như vậy, cũng cần tới hàng trăm triệu năm để khối lượng có thể tăng gấp đôi."
Hiện giờ, đây có lẽ là một ý tưởng hấp dẫn. Nhưng khi mà những máy dò sóng hấp dẫn sẽ ngày càng nhạy hơn, sẽ ngày càng nhiều dữ liệu thu được được kiểm tra giả thuyết này.
"Những nâng cấp theo kế hoạch của LIGO-Virgo, cùng với dữ liệu sẽ được thu thập trong thập kỷ tới, sẽ mô tả thêm ngày càng nhiều vụ sáp nhập lỗ đen," Croker nói. "Càng nhiều dữ liệu thu được, chúng tôi càng sớm kiểm tra được giả thuyết của mình. Những thí nghiệm về sóng hấp dẫn ngoài không gian, chẳng hạn như LISA (Ăng ten giao thoa kế laser không gian) có thể cho phép chúng tôi thấy được trực tiếp sự gia tăng khối lượng trong những hệ đơn (chỉ có một lỗ đen)."
Bryan
Theo Live Science
