Các nhà khoa học đã xác nhận hai lý thuyết lâu năm liên quan đến lỗ đen nhờ việc phát hiện tín hiệu sóng hấp dẫn rõ ràng nhất từng được ghi nhận cho đến nay.
Mười năm sau khi phát hiện sóng hấp dẫn đầu tiên, nhóm hợp tác LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) đã công bố vào ngày 10 tháng 9 vừa qua việc phát hiện ra GW250114 - một gợn sóng trong kết cấu không-thời gian, mang lại cái nhìn chưa từng có về bản chất của lỗ đen và các định luật vật lý cơ bản.
Nghiên cứu xác nhận dự đoán năm 1971 của Stephen Hawking rằng khi các lỗ đen va chạm, diện tích chân trời sự kiện của lỗ đen tạo thành sẽ lớn hơn tổng diện tích của các lỗ đen ban đầu, nó không thể thu nhỏ lại.
Nghiên cứu cũng xác nhận bản chất Kerr của lỗ đen - một tập hợp phương trình được nhà toán học người New Zealand là Roy Kerr phát triển vào năm 1963, giải thích cấu trúc không-thời gian một cách trơn tru quanh một lỗ đen quay. Mô hình Kerr dự đoán các hiệu ứng như không gian bị kéo theo quanh lỗ đen và ánh sáng có thể quay vòng tạo ra nhiều bản sao của một vật thể.
Trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters, nhóm nghiên cứu quốc tế - trong đó có các chuyên gia từ Đại học Birmingham - cho biết GW250114 được phát hiện với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu là 80. Mức rõ ràng này cho phép thực hiện các kiểm nghiệm chính xác về thuyết tương đối tổng quát và nhiệt động lực học lỗ đen.
Tiến sĩ Geraint Pratten, thành viên của Hiệp hội Hoàng gia Anh và Đại học Birmingham, đồng thời là thành viên nhóm viết bài của LVK nhận xét: “GW250114 là sự kiện sóng hấp dẫn rõ nhất mà chúng tôi từng phát hiện, giống như tiếng thì thầm đã trở thành tiếng hét. Điều này mang lại cho chúng tôi cơ hội chưa từng có để kiểm nghiệm các lý thuyết của Einstein một cách nghiêm ngặt, đồng thời xác thực một trong những dự đoán tiên phong của Stephen Hawking rằng khi các lỗ đen hợp nhất, tổng diện tích chân trời sự kiện chỉ có thể tăng lên, không bao giờ giảm xuống.”
GW250114 được ghi nhận bởi hai thiết bị của Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) tại Mỹ. LIGO hoạt động phối hợp với hai đối tác quốc tế: thiết bị dò sóng hấp dẫn Virgo tại Ý và KAGRA tại Nhật Bản, tạo thành mạng lưới săn tìm sóng hấp dẫn LVK (LIGO, Virgo, KAGRA).
Nhóm LVK đã xác định rằng GW250114 được tạo ra bởi vụ va chạm giữa hai lỗ đen có khối lượng khoảng 32 lần khối lượng Mặt Trời.
LIGO hiện phát hiện sóng hấp dẫn đi qua Trái Đất mỗi vài ngày, nhưng GW250114 là một trường hợp đặc biệt. Dữ liệu cho thấy tổng diện tích bề mặt của hai lỗ đen ban đầu vào khoảng 240.000 km² (tương đương diện tích Vương quốc Anh), trong khi lỗ đen sau va chạm có diện tích khoảng 400.000 km² (xấp xỉ diện tích Thụy Điển).
Vào những năm 1970, Hawking và nhà vật lý Jacob Bekenstein đã kết luận rằng diện tích chân trời sự kiện của lỗ đen tỷ lệ với entropy (hay mức độ hỗn độn) của nó, mở đường cho các công trình mang tính đột phá sau này trong lĩnh vực hấp dẫn lượng tử, vốn tìm cách hợp nhất hai trụ cột của vật lý hiện đại: thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử.
Sau khi các lỗ đen hợp nhất, trong giai đoạn gọi là "giảm chấn", lỗ đen cuối cùng rung lên và phát ra sóng hấp dẫn ở những tần số nhất định - giống như âm thanh đặc trưng mà một chiếc chuông phát ra khi bị gõ. Các nhà khoa học gọi nó một cách ví von là “giọng nói của lỗ đen.”
Giải pháp của Roy Kerr dự đoán rằng lỗ đen - và cả “giọng nói” của nó khi bị nhiễu loạn - có thể được mô tả hoàn toàn chỉ bằng hai đại lượng duy nhất: khối lượng và spin (đại lượng mô tả đặc tính quay). Kết quả đột phá này cho thấy lỗ đen khác biệt hoàn toàn với các thiên thể khác: một ngôi sao cần được mô tả bằng nhiều đặc tính phức tạp, nhưng ngay cả lỗ đen có khối lượng lớn hơn hàng triệu lần Mặt Trời vẫn có thể được mô tả bằng hai con số đơn giản.
Tiến sĩ Gregorio Carullo, Phó Giáo sư tại Đại học Birmingham và điều phối viên một trong các nhóm phân tích của LVK, nhận định: “Nhờ tín hiệu rõ nét của GW250114, lần đầu tiên chúng tôi có thể phân tách được hai ‘âm sắc’ từ giọng nói của lỗ đen và xác nhận rằng chúng tuân theo dự đoán của mô hình Kerr, qua đó đưa ra bằng chứng vững chắc chưa từng có cho tính chất Kerr của lỗ đen trong tự nhiên.”
Kết quả này được công bố gần như trùng với kỷ niệm 10 năm ngày phát hiện sóng hấp dẫn đầu tiên. Vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, một tín hiệu đã đến Trái Đất mang theo thông tin về một cặp lỗ đen xa xôi đang chuyển động xoắn vào nhau trước khi hợp nhất.
Phát hiện lịch sử này - với sự đóng góp đáng kể từ các nhà nghiên cứu tại Birmingham thông qua việc phát triển phần cứng cho các máy dò LIGO, xây dựng các mô hình sóng hấp dẫn chính xác cao sinh ra từ va chạm lỗ đen, cùng các kỹ thuật phân tích để trích xuất thông tin - đã mở ra khả năng quan sát vũ trụ theo ba phương thức khác nhau.
Tiến sĩ Patricia Schmidt, Phó Giáo sư tại Đại học Birmingham và đồng chủ tịch nhóm phân tích của LVK, cho biết: “Việc phát hiện một kép của lỗ đen có các thông số tương tự GW150914 nhưng tín hiệu mạnh gấp ba lần chỉ sau một thập kỷ kể từ phát hiện đột phá đó là nhờ vào những tiến bộ công nghệ vượt bậc của các thiết bị của chúng ta, mở đường cho kỷ nguyên thiên văn chính xác bằng sóng hấp dẫn.”
Amit Singh Ubhi, thành viên nhóm thiết bị tại Birmingham, người đóng góp phần cứng then chốt cho phát hiện này, cho biết: “Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu vượt trội của GW250114 thể hiện sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ dò sóng hấp dẫn của cộng đồng khoa học. Độ rõ chưa từng có này cho phép chúng ta nghiên cứu quá trình tiến hóa của lỗ đen với độ chính xác hơn bao giờ hết, thể hiện vai trò của công nghệ tiên tiến đối với hiểu biết của con người về các định luật cơ bản của tự nhiên.”
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Dịch từ thông tin của Đại học Birmingham.
Đọc thêm bài tham khảo: Một kỷ nguyên mới của nghiên cứu đang mở ra.
Về các vấn đề lớn hoặc cơ bản trong vũ trụ học hiện đại, độc giả có thể tham khảo thêm sách Xa hơn Mây Oort: Tới ranh giới của không gian và thời gian.
