Lỗ đen hay không lỗ đen: Trên kết quả về những va chạm sao neutron

Một nghiên cứu do các nhà khoa học GSI và các đồng nghiệp quốc tế thực hiện về sự hình thành của lỗ đen trong các vụ sáp nhập sao neutron được công bố trên tạp chí "Physical Review Letters" “Equation of State Constraints from the Threshold Binary Mass for Prompt Collapse of Neutron Star Mergers”.

Các mô phỏng trên máy tính cho thấy những đặc tính của vật chất hạt nhân đậm đặc đóng một vai trò quan trọng, vốn có mối liên hệ trực tiếp sự kiện sáp nhập vật lý thiên văn với các thí nghiệm va chạm ion nặng tại GSI và FAIR. Các đặc tính đó sẽ được nghiên cứu một cách cẩn thận hơn tại FAIR.  

Với giải thưởng Nobel Vật lý 2020 cho những miêu tả các lỗ đen về mặt lý thuyết và cho khám phá một vật thể siêu khối lượng tại trung tâm dải Ngân hà, chủ đề lỗ đen ngày một thu hút sự chú ý. Nhưng lỗ đen hình thành trong những điều kiện thực tế nào? Đây là câu hỏi trung tâm của một nghiên cứu do các nhà nghiên cứu ở Trung tâm nghiên cứu ion nặng GSI Helmholtz (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) ở Darmstadt và các đồng nghiệp quốc tế thực hiện. Sử dụng các mô phỏng máy tính, các nhà khoa học đã tập trung vào một quá trình riêng biệt hình thành các lỗ đen từ sáp nhập của các ngôi sao neutron.

Các ngôi sao neutron chứa vật chất được nén hết sức đậm đặc. Thông thường, khối lượng gấp rưỡi mặt trời sẽ được nén xuống kích thước vài ki lô mét.  Nó tương tự hoặc thậm chí còn có mật độ đậm đặc cao hơn cả bên trong hạt nhân nguyên tử. Nếu hai ngôi sao neutron sáp nhập, vật chất bị nén thêm trong suốt quá trình va chạm. Điều này dẫn tàn dư sáp nhập tới bên bờ suy sụp thành một lỗ đen. Các lỗ đen là những vật thể compact trong vũ trụ, ngay cả ánh sáng cũng không thể vượt qua, vì vậy không thể quan sát các vật thể này một cách trực tiếp.

“Giới hạn cực trị là tổng khối lượng các ngôi sao neutron. Nếu nó vượt quá một ngưỡng nhất định thì sự suy sụp thành lỗ đen chắc chắn phải diễn ra”, tiến sĩ Andreas Bauswein từ Khoa Lý thuyết GSI, tổng kết. Tuy nhiên, khối lượng ngưỡng chính xác phụ thuộc vào các đặc tính của vật chất hạt nhân có độ đậm đặc cao. Đến nay người ta vẫn chưa hiểu rõ một cách chi tiết các đặc tính của vật chất có độ đậm đặc cao đó, đây là lý do vì sao các phòng thí nghiệm như GSI lại cho va chạm các hạt nhân nguyên tử – giống như một sáp nhập sao neutron nhưng ở quy mô nhỏ hơn nhiều. Trên thực tế, các va chạm ion nặng dẫn đến những điều kiện tương tự như sáp nhập của các ngôi sao neutron. Trên cơ sở những phát triển về mặt lý thuyết và thí nghiệm vật lý ion nặng, có thể tính toán các mô hình vật chất sao neutron, hay còn gọi là các phương trình trạng thái.

Trung tâm nghiên cứu ion nặng GSI Helmholtz

Sử dụng vô số các phương trình trạng thái, nghiên cứu mới đã tính toán ngưỡng ngối lượng có khả năng dẫn đến sự hình thành lỗ đen. Nếu vật chất sao neutron hay vật chất hạt nhân dễ bị nén lại – nếu phương trình trạng thái ‘mềm’ –  lập tức sự sáp nhập các ngôi sao neutron nhẹ có liên quan có thể dẫn đến sự hình thành của lỗ đen. Nếu vật chất hạt nhân ‘đặc’ và ít bị nén hơn, tàn dư ổn định hơn so với suy sụp hấp dẫn và tàn tích của sao neutron quay, có khối lượng lớn được hình thành từ va chạm đó. Do đó ngưỡng khối lượng cho suy sụp tự nó mang thông tin về đặc tính vật chất siêu đậm đặc. Nghiên cứu mới cho thấy ngưỡng dẫn đến suy sụp có thể thậm chí còn làm rõ liệu trong suốt quá trình va chạm, nucleon có phân rã thành các hạt quark hay không.

“Chúng tôi rất phấn khích về kết quả này bởi chúng tôi chờ đợi những quan sát trong tương lai có thể cho thấy khối lượng ngưỡng”, giáo sư Nikolaos Stergioulas của Khoa vật lý trường đại học Thessaloniki Aristotle tại Hi Lạp cho biết. Chỉ vài năm trước đây, người ta đã lần đầu tiên quan sát được sóng hấp dẫn từ một vụ sáp nhập sao neutron. Các kính thiên văn tìm thấy phản điện từ trường và dò được ánh sáng từ sự kiện sáp nhập. Nếu một lỗ đen được hình thành một cách trực tiếp trong quá trình va chạm, phát xạ quang học của vụ sáp nhập rất mờ nhạt. Do đó, dữ liệu quan sát sẽ chỉ dấu có lỗ đen được tạo ra không. Cùng thời điểm đó, tín hiệu sóng hấp dẫn mang thông tin về tổng khối lượng của hệ. Các ngôi sao có khối lượng lớn thì tín hiệu sóng hấp dẫn mạnh hơn, vốn cho phép xác định khối lượng ngưỡng.

Trong khi các máy dò sóng hấp dẫn và kính thiên văn đang chờ những vụ sáp nhập sao neutron mới, nghiên cứu này được thiết lập tại Darmstadt để cso thể thậm chi hiểu về nó chi tiết hơn. Máy gia tốc mới tại FAIR, hiện đang được xây dựng tại GSI, sẽ tạo ra những điều kiện tương tự như điều kiện trong các vụ sáp nhập sao neutron. Cuối cùng, chỉ sự kết hợp của những quan sát thiên văn, các mô phỏng máy tính và các thực nghiệm ion nặng có thể giải quyết được những câu hỏi về những khối cơ bản của vật chất và các đặc tính của nó và bằng cách đó, họ sẽ làm sáng tỏ sự suy sụp để xuất hiện một lỗ đen như thế nào.

Thanh Nhàn dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-11-black-hole-outcome-neutron-star.html