Các va chạm lỗ đen – sao neutron có thể làm giảm tranh cãi về sự dãn nở của vũ trụ
Nghiên cứu về những va chạm lớn giữa các lỗ đen và sao neutron có thể sớm đem lại một đo đạc về vận tốc dãn nở của vũ trụ, qua đó giúp giải quyết một tranh cãi trong thời gian dài. Một trong số đó là nghiên cứu mô phỏng do các nhà nghiên cứu tại UCL (University College London) dẫn dắt.
Các cách hiện hành hiệu quả nhất trong việc ước tính vận tốc dãn nở của vũ trụ – đo đạc độ sáng và tốc độ của các sao quay và phát nổ, và theo dõi những dao động trong phát xạ từ vũ trụ sớm – đều đem lại những câu trả lời khác nhau. Nó cho thấy có thể là lý thuyết của chúng ta về vũ trụ có thể sai.
Kiểu thứ ba trong đo đạc là theo dõi những phát nổ của ánh sáng và những gợn sóng trong không gian từ các vụ va chạm của lỗ đen – sao neutron, có thể giúp giải quyết bất đồng này và làm rõ là liệu lý thuyết của chúng ta về vũ trụ có cần viết lại hay không.
Nghiên cứu mới, được xuất bản trên Physical Review Letters, mô phỏng 25.000 kịch bản va chạm lỗ đen và sao neutron nhằm mục tiêu thấy có bao nhiều vụ dò được bằng các thiết bị trên trái đất vào nửa cuối những năm 2020 1.
Các nhà nghiên cứu đã tìm ra, vào năm 2030, các thiết bị trên trái đất có thể bắt được những gợn sóng trong không – thời gian do khoảng 3.000 vụ va chạm gây ra, và khoảng 100 sự kiện trong đó thì kính viễn vọng có thể quan sát đồng thời các bùng phát ánh sáng.
Họ đi đến kết luận là có thể đủ dữ liệu để đem lại một đo đạc mới, hoàn toàn độc lập về vận tốc giãn nở của vũ trụ, đủ chính xác và tin cậy để xác nhận hoặc bác bỏ về sự cần thiết của một loại vật lý mới.
Tác giả thứ nhất, tiến sĩ Stephen Feeney (Vật lý và thiên văn UCL) cho biết: “Một ngôi sao neutron là một ngôi sao chết, được tạo ra khi một ngôi sao cực lớn phát nổ, sau đó co sụp và khi mật độ đạt đến mức đáng kinh ngạc – cụ thể là đường kính khoảng 10 dặm nhưng với khối lượng gấp hai mặt trời của chúng ta. Sự va chạm của nó với một lỗ đen do đó là một sự kiện mang tính biến động lớn, nguyên nhân gây ra những gợn sóng trong không – thời gian, hay còn gọi là sóng hấp dẫn, nhờ đó chúng ta có thể dò được nó trên trái đất với những đài quan sát như LIGO và Virgo.
“Chúng ta vẫn còn chưa dò được ánh sáng từ những va chạm đó. Nhưng những thành tựu về độ nhạy của thiết bị dò sóng hấp dẫn, cùng với những máy dò mới ở Ấn Độ và Nhật Bản, sẽ dẫn đến một bước nhảy vọt lớn theo cách có nhiều dạng sự kiện mà chúng ta có thể dò. Đó là một sự kích thích đáng kinh ngạc và có thể mở ra một kỷ nguyên mới về vật lý thiên văn”.
Để tính toán sự gia tốc giãn nở của vũ trụ, được biết đến như hằng số Hubble, các nhà vật lý thiên văn cần biết khoảng cách giữa các vật thể thiên văn với trái đất cũng như tốc độ khi chúng chuyển động ra xa. Việc phân tích sóng hấp dẫn cho chúng ta thấy một cuộc va chạm ở bao xa, không chỉ xác định được tốc độ di chuyển.
Để nói một cuộc va chạm trong một thiên hà đang di chuyển nhanh như thế nào, chúng ta nhìn vào “chuyển động đỏ” của ánh sáng – đó là cách chiều dài bước sóng ánh sáng tạo ra từ một nguồn đã bị chuyển động của nó kéo giãn. Các bùng phát ánh sáng có thể đi kèm các vụ va chạm đó, giúp chúng ta định vị được thiên hà, nơi diễn ra cuộc va chạm, cho phép các nhà nghiên cứu kết hợp các đo đạc khoảng cách và đo đạc ánh sáng đỏ trong thiên hà đó.
Tiến sĩ Feeney cho biết thêm: “Các mô hình máy tính của những sự kiện mang tính biến động lớn đó vẫn chưa hoàn thiện và nghiên cứu này có thể đem lại một động lực thúc đẩy để cải thiện chúng. Nếu giả định của chúng ta là đúng thì nhiều cuộc va chạm trong số đó sẽ không tạo ra những phát nổi mà chúng ta có thể dò được – lỗ đen sẽ nuốt chửng một ngôi sao mà không để lại gì cho truy dấu. Nhưng trong một số trường hợp một lỗ đen nhỏ có thể ban đầu xé rách một ngôi sao neutron trước khi nuốt chửng nó, có tiềm năng để lại vật chất bên ngoài lỗ đen, phát xạ bức xạ điện từ”.
Đồng tác giả là giáo sư Hiranya Peiris (Vật lý và vật lý thiên văn UCL và trường đại học Stockholm) nói: “Sự bất đồng về hằng số Hubble là một trong những bí ẩn lớn nhất vũ trụ. Thêm vào đó để giúp chúng ta giải được mảng ghép này, các gợn sóng không thời gian từ những sự kiện mang tính biến động lớn mở ra một cánh cửa mới cho vũ trụ này. Chúng tôi dự báo là có thể sẽ có nhiều khám phá thú bị trong thập kỷ đến”.
Sóng hấp dẫn đã được dò tại hai đài quan sát ở Mỹ (LIGO Labs), một ở Italy (Virgo), và một ở Nhật Bản (KAGRA). Đài quan sát thứ năm, LIGO-India, hiện đang được xây dựng.
Hai ước tính tốt nhất hiện nay của họ về sự dãn nở của vũ trụ là 67 km mỗi giây mỗi megaparsec (tương đương 3,26 triệu năm ánh sáng) và 74 km mỗi giây mỗi megaparsec.
Kết quả đầu tiên được suy ra từ việc phân tích bức xạ nền vi sóng vũ trụ, bức xạ sót lại từ vụ nổ lớn Big Bang, còn kết quả thứ hai từ so sánh các khoảng cách khác nhau giữa các ngôi sao với trái đất – đặc biệt là các biến quang Cepheid, vốn có độ sáng khác nhau, và sự phát nổ các ngôi sao gọi là siêu tân tinh.
Tiến sĩ Feeney giải thích: “Khi đo đạc nền vi sóng vũ trụ cần một lý thuyết hoàn chỉnh về vũ trụ nhưng phương pháp dựa trên khoảng cách các ngôi sao thì không, sự bất đồng này đòi hỏi bằng chứng vật lý mới nằm ngoài hiểu biết của chúng ta. Trước khi chúng ta có thể có được nhiều xác quyết thì chúng ta cần xác nhận về sự bất đồng này từ những quan sát hoàn toàn độc lập – chúng tôi tin tưởng là những vụ va chạm lỗ đen – sao neutron có thể đem lại những quan sát đó”.
Nghiên cứu này do các nhà nghiên cứu tại UCL, Imperial College London, ĐH Stockholm và ĐH Amsterdam thực hiện với sự hỗ trợ của Hội khoa học hoàng gia Anh, Hội đồng nghiên cứu Thụy Điển, Quỹ Knut& Alice Wallenberg, và Tổ chức nghiên cứu khoa học Hà Lan (NWO).
Anh Vũ tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-04-black-hole-neutron-star-collisions-dispute.html
———————————-
1. ‘Prospects for measuring the Hubble constant with neutron-star–black-hole mergers”. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.171102
