Một nhóm nghiên cứu quốc tế từ Trung Quốc và Ý đã báo cáo về một phát hiện liên quan tới một sự kiện "đa nguồn tin" (multi-messenger) mang tính bước ngoặt năm 2017. Vào tháng 11 năm 2024, bộ ba đài quan sát LIGO-Virgo-KAGRA đã phát hiện sóng hấp dẫn từ một vụ hợp nhất của hai lỗ đen, được đặt tên là S241125n. Đáng chú ý, chỉ vài giây sau đó, các vệ tinh đã ghi nhận một vụ nổ tia gamma (GRB) ngắn từ cùng một vùng trên bầu trời.
Thông thường, các vụ sáp nhập lỗ đen không được kỳ vọng tạo ra các tín hiệu điện từ. S241125n có thể là một sự kiện sóng hấp dẫn rất hiếm đã được liên kết với một GRB qua nhiều bước sóng khác nhau, khiến thiên văn học đa nguồn tin trở thành một lĩnh vực mới. Mặc dù mối liên hệ này vẫn chưa được xác nhận chắc chắn và cần thêm các quan sát tiếp theo, xác suất trùng hợp ngẫu nhiên dường như khá thấp, khiến kết quả này trở nên đáng chú ý về mặt thống kê nhưng vẫn cần thận trọng.
Một sự kiện sóng hấp dẫn hiếm với phổ điện từ bất thường
Sóng hấp dẫn là những gợn sóng trong không-thời gian sinh ra từ các sự kiện vũ trụ dữ dội. Các va chạm giữa lỗ đen trước đây được cho là “tối” đối với các kính thiên văn thông thường, tức là không phát ra ánh sáng. Tuy nhiên, sự kiện năm 2024 S241125n dường như thách thức quan niệm đó. Khoảng 11 giây sau tín hiệu sóng hấp dẫn, đài quan sát Swift của NASA đã phát hiện một GRB ngắn trong cùng vùng bầu trời, và ngay sau đó, vệ tinh Einstein Probe mới của Trung Quốc đã phát hiện một dư quang tia X trong khu vực này.
Bản đồ bầu trời của sóng hấp dẫn từ sự kiện LVK S241125n và vị trí của GRB. Thang màu của bản đồ biểu thị mật độ xác suất tương đối của vị trí nguồn sóng hấp dẫn. Đường viền trắng liền thể hiện vùng tin cậy 90%, trong khi dấu thập màu xanh trong hình được trích xuất chỉ ra vị trí của nguồn sóng điện từ. Đường cong màu xanh lá biểu thị mặt phẳng của thiên hà. Nguồn: The Astrophysical Journal (2026). DOI: 10.3847/1538-4357/ae3319
Các nhà khoa học lưu ý rằng sự tương quan giữa tín hiệu sóng hấp dẫn và vụ bùng nổ tia gamma khó có thể chỉ là sự trùng hợp ngẫu nhiên. Phân tích chung của nhóm, hiện đã được công bố trên The Astrophysical Journal, ước tính tỷ lệ tổng thể của báo động giả là khoảng một sự kiện trong 30 năm quan sát. “Ước tính này được đặt ra một cách thận trọng, và xác suất thực sự của một sự trùng hợp ngẫu nhiên có thể còn thấp hơn. Tuy nhiên, vì tính nghiêm ngặt khoa học, chúng tôi vẫn chưa thể đưa ra kết luận dứt khoát. Dù vậy, đây rõ ràng là một sự kiện rất đáng chú ý,” các nhà nghiên cứu giải thích.
Điều thú vị là tổng năng lượng, độ sáng và thời lượng của nguồn này tương tự như một GRB ngắn điển hình. Tuy nhiên, chỉ số photon lại khác so với thông thường. Chỉ số photon của phát xạ tức thời mềm hơn (tức là mang năng lượng nhỏ hơn) so với GRB ngắn điển hình, trong khi dư quang lại cứng hơn bình thường (mang năng lượng lớn hơn). Điều này cho thấy nguồn này có thể có cơ chế bức xạ đặc biệt hoặc chịu ảnh hưởng của một hiệu ứng lan truyền khác.
Khoảng cách cực lớn và các lỗ đen khối lượng lớn
Một đặc điểm nổi bật của S241125n là khoảng cách cực xa của nó. Sóng hấp dẫn đã di chuyển khoảng 4,2 tỷ năm ánh sáng để đến Trái Đất (dịch chuyển đỏ z ≈ 0,73), nghĩa là vụ va chạm này xảy ra khi vũ trụ còn trẻ hơn đáng kể so với hiện nay. Các lỗ đen liên quan có khối lượng lớn bất thường.
Phân tích cho thấy cặp lỗ đen tham gia sáp nhập có tổng khối lượng vượt quá 100 lần khối lượng Mặt Trời, khiến chúng trở thành một trong những vụ sáp nhập lỗ đen khối lượng sao lớn nhất từng được ghi nhận. Để so sánh, hầu hết các vụ sáp nhập lỗ đen được LIGO quan sát chỉ có tổng khối lượng vài chục lần khối lượng Mặt Trời. Một vụ sáp nhập lớn như vậy là hiếm và rất đáng chú ý, vì nó gợi ý rằng mỗi lỗ đen có thể đã phát triển từ các vụ sáp nhập trước đó hoặc từ những quá trình hình thành kỳ lạ.
Việc phát hiện một vụ sáp nhập khối lượng lớn ở z ~ 0,73 cũng cho thấy những sự kiện như vậy có thể được quan sát trên những khoảng cách vũ trụ rất lớn. Việc “nghe thấy” các vụ sáp nhập lỗ đen cách hàng tỷ năm ánh sáng và thậm chí có thể nhìn thấy một chớp sáng từ chúng là một thành tựu đáng kinh ngạc của vật lý thiên văn hiện đại. Điều này thách thức các nhà nghiên cứu phải giải thích cách mà các cặp lỗ đen lớn như vậy có thể tạo ra các “màn pháo hoa” điện từ - một hiện tượng vốn không được kỳ vọng trong môi trường chân không của không gian.
Một vụ sáp nhập trong trung tâm hoạt động của thiên hà
Nhóm nghiên cứu, do các nhà khoa học từ Trung Quốc (Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, Đài Thiên văn Thượng Hải và Đại học Ninh Ba) và Ý (Trung tâm Mạng lưới Vật lý thiên văn Tương đối tính Quốc tế, Việt Vật lý Thiên văn Quốc gia Ý và Đại học Ferrrara) dẫn đầu, đã đề xuất một lời giải thích táo bạo cho cách một vụ va chạm lỗ đen có thể tạo ra một vụ bùng nổ tia gamma ngắn. Họ cho rằng hai lỗ đen đã sáp nhập bên trong đĩa khí và bụi dày đặc bao quanh lỗ đen siêu nặng ở trung tâm một thiên hà, một môi trường được gọi là đĩa nhân thiên hà hoạt động (AGN).
Trong các lõi thiên hà sôi động này, một lượng vật chất khổng lồ quay quanh lỗ đen trung tâm, tạo nên một môi trường “giàu nhiên liệu”. Nếu một cặp lỗ đen sáp nhập trong một đĩa như vậy, sự kiện đó không xảy ra trong cô lập mà diễn ra trong một môi trường vật chất dày đặc.
Theo mô hình của nhóm nghiên cứu, khi hai lỗ đen sáp nhập, lỗ đen mới hình thành nhận được một "cú hích" mạnh do phát xạ sóng hấp dẫn bất đối xứng. Lỗ đen này, giờ đây chuyển động xuyên qua khí xung quanh, sẽ nhanh chóng nuốt chửng vật chất trên đường đi của nó. Tốc độ bồi tụ có thể đạt mức siêu Eddington, vượt xa giới hạn thông thường mà một lỗ đen có thể tiêu thụ vật chất một cách ổn định.
Về bản chất, vụ sáp nhập đã biến lỗ đen thành một “động cơ” cực kỳ tham lam. Sự bồi tụ mạnh mẽ như vậy trong môi trường có từ trường được cho là kích hoạt các tia phản lực tương đối tính, trong đó năng lượng quay của lỗ đen đang quay cung cấp năng lượng cho hai tia bức xạ và hạt phóng ra ngoài gần bằng vận tốc ánh sáng.
Khi tia phản lực này xuyên qua đĩa AGN dày đặc, nó tạo ra các sóng xung kích trong khí đặc. Ban đầu, năng lượng của tia phản lực bị giữ lại trong đĩa, làm nóng khí (giống như một nồi áp suất đầy photon). Nhưng khi tia phản lực cuối cùng xuyên thủng bề mặt đĩa, các photon có thể thoát ra ngoài. Kết quả là một vụ bùng nổ bức xạ năng lượng cao phóng ra từ nhân của thiên hà.
Về bản chất, nhóm nghiên cứu lập luận rằng quá trình này sẽ tạo ra một vụ bùng nổ tia gamma ngắn, không phải từ sự sáp nhập của các sao neutron như thường thấy, mà từ một vụ sáp nhập lỗ đen trong một môi trường đặc biệt. Sự “bùng phát do sóng xung kích xuyên đĩa” như vậy sẽ tạo ra một phổ tia gamma đã bị Compton hóa (được nhiệt hóa), điều này phù hợp một cách đáng chú ý với những gì Swift quan sát được: phát xạ tức thời của GRB này mềm hơn bất thường so với các GRB ngắn thông thường.
Một cánh cửa mới cho thiên văn học đa nguồn tin
Nếu mối liên hệ giữa sóng hấp dẫn và vụ nổ tia gamma này được xác nhận, nó sẽ mở ra một kỷ nguyên mới trong việc nghiên cứu các vụ sáp nhập lỗ đen bằng cả “tai” và “mắt”. Cho đến nay, các vụ sáp nhập hai lỗ đen chỉ được “nghe thấy” thông qua sóng hấp dẫn; sự kiện S241125n cho thấy rằng trong những điều kiện đặc biệt, chúng cũng có thể được nhìn thấy (trong ánh sáng năng lượng cao). Điều này sẽ mang lại cơ hội phong phú để nghiên cứu môi trường xung quanh các lỗ đen đang sáp nhập và vật lý của quá trình hình thành tia phản lực trong môi trường dày đặc. Những phép đo kết hợp như vậy thậm chí có thể giúp cải thiện các ước tính về sự giãn nở của vũ trụ bằng cách sử dụng sự kiện như một “chuông báo chuẩn” (standard siren) - một chỉ báo khoảng cách dựa trên sóng hấp dẫn - cùng với dịch chuyển đỏ của thiên hà chủ.
Sự kiện này cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của thiên văn học đa nguồn tin: các máy dò sóng hấp dẫn ghi lại “âm thanh” của vụ sáp nhập, các kính thiên văn tia gamma và tia X ghi lại “chớp sáng” của nó, và cùng nhau chúng kể một câu chuyện đầy đủ hơn nhiều so với từng loại quan sát riêng lẻ.
Khi cộng đồng thiên văn tiếp tục phân tích sự kiện này, các dữ liệu mới có thể củng cố thêm bằng chứng. Các tác giả đề xuất tìm kiếm những dấu hiệu đặc trưng trong tín hiệu sóng hấp dẫn, chẳng hạn như độ lệch tâm quỹ đạo còn sót lại do môi trường động của đĩa AGN. Họ cũng khuyến nghị thực hiện các quan sát sâu hơn để xác định thiên hà chủ (có khả năng là một thiên hà xa chứa một AGN sáng).
Tóm lại, khả năng phát hiện một vụ bùng nổ tia gamma từ một vụ sáp nhập lỗ đen là một bước phát triển thú vị và bất ngờ. Nó cho thấy rằng trong những hoàn cảnh thích hợp, ngay cả những vụ va chạm vũ trụ tối tăm nhất cũng có thể thắp sáng vũ trụ. Bảy năm sau lần đầu tiên sóng hấp dẫn đi kèm ánh sáng được quan sát, sự kiện này - nằm ở khoảng giữa vũ trụ quan sát được và liên quan đến các lỗ đen có khối lượng hơn 100 lần khối lượng Mặt Trời - có thể trở thành ứng viên đầy hứa hẹn tiếp theo của thiên văn học đa nguồn tin, mở ra những cách mới để nghiên cứu vũ trụ.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Dịch và chú thích từ Phys.org
