Cuộc dò sóng hấp dẫn rõ ràng nhất xác nhận thuyết lỗ đen của Hawking

Phát hiện mới thuộc về những phát hiện lớn nhất trên LIGO 10 năm tuổi.

Những bài ca của vũ trụ, giờ đây chúng ta có thể nghe thấy chúng, có thể không lên tới đỉnh điểm – nó thiên về những tiếng kêu mờ nhạt hơn là giai điệu của một bản giao hưởng. Nhưng một thập kỷ qua, những bài ca như thế đã giúp các nhà khoa học có thể đo được những sự kiện lớn nhất, kỳ lạ nhất và mãnh liệt nhất vũ trụ.

Gần một thập niên trước, Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) trở thành máy dò đầutiên ‘nghe’ được sóng hấp dẫn: những cuộn sóng lan truyền qua bề mặt không thời gian sau những cuộc va chạm mạnh nhất vũ trụ. Cuộc dò đầu tiên, vào ngày 14/9/2015, ghi lại thanh âm của cuộc kết tụ hai lỗ đen thành một, và nó xác nhận dự đoán của Albert Einstein là sóng hấp dẫn tồn tại. Giở LIGO, cùng với những máy dò khác, đã phát hiện thấy khoảng 300 sự kiện sóng hấp dẫn, bao gồm một được loan báo mới đây, ủng hộ một lý thuyết do nhà vũ trụ học Stephen Hawking đưa ra vào những năm 1970.

Tại máy dò “sinh đôi” của LIGO — ở Livingston, Louisiana, và Hanford, Washington – các chùm laser đã nảy lên trong hai cánh tay, được sắp xếp theo hình chữ L, dài 4km. Độ lệch cỡ đường kính sợi tóc của chùm tia cũng chỉ dấu sự nén và kéo dãn của không thời gian, ghi nhận sự hiển thị của sóng hấp dẫn trên máy tính. Khi tín hiệu này được hiển thị dưới dạng âm thanh có thể nghe được, sóng hấp dẫn nghe như tiếng chim hót.

Nature đã trao đổi với một số nhà nghiên cứu về sóng hấp dẫn về những cuộc phát hiện thú vị của họ.

Nhạc chuông điện thoại

Xuất bản trên Physical Review Letters, những phát hiện mới nhất của LIGO chỉ ra những chỉ dấu tín hiệu sóng hấp dẫn rõ ràng nhất.

Khi các dấu hiệu của một sóng hấp dẫn vào ngày 14/1/2025 đột sinh từ nhiễu của các đợt quan sát trên LIGO, các nhà nghiên cứu đã lắng nghe tiếng hai lỗ đen hợp nhất. Lần này, thậm chí họ có thể dò được những rung động do một lỗ đen được hình thành do cuộc va chạm đó.

Cụ thể, thật khó để chọn được ‘tiếng chuông” từ một cuộc sáp nhập, nhưng nhờ 10 năm kinh nghiệm tinh chỉnh các thiết bị LIGO, các nhà khoa học đã có được những đo đạc nhạy nhất từ trước đến nay.

Việc phân tích “tiếng chuông” cho thấy hai lỗ đen bố mẹ được kết hợp trên bề mặt rộng 240.000 km², khởi sinh ra một lỗ đen lớn hơn với một bề mặt 400.000 km². Sự gia tăng rõ ràng ở kích thước cho thấy độ tin cậy trong lý thuyết về lỗ đen của Hawking về việc các diện tích bề mặt của các thiên thể đó có thể không bao giờ bị suy giảm. Dẫu Hawking đã qua đời trước khi chứng kiến sự xác nhận này, ông từng nói vào năm 2016 là ông nghĩ rằng LIGO có thể có năng lực lập được kỳ tích.

Cuộc phát hiện này sẽ nhanh chóng ‘trở thành một trong những sự kiện yêu thích của tôi”, David Reitze, giám đốc điều hành LIGO tại Viện Công nghệ California. “Đó là món quà hoàn hảo kỷ niệm một thập niên hoạt động” , đồng nghiệp của ông là Katerina Chatziioannou, một nhà vật lý ở LIGO cho biết thêm.

Tiếng chim hót đầu tiên

LIGO bắt đầu được vận hành vào năm 2002, nhưng chỉ đến khi được nâng cấp vào năm 2015 thì nó mới phát hiện được tín hiệu đầu tiên về một sự kiện sóng hấp dẫn. Và đó là một sự kiện thật sự. Sau năm tháng kiểm tra đi kiểm tra lại để thấy nó không phải là một nhiễu nền hoặc một tiếng giả, các nhà nghiên cứu đã loan báo cuộc phát hiện của họ trong một cuộc họp thông báo khắp thế giới. Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã chứng minh là mình có thể “nghe thấy tiếng sấm vũ trụ”, Reitze nói, “dẫu cho tiếng sấm ấy chỉ còn là tiếng nổ nhỏ khi vọng đến trái đất”.

Đây là kết quả của một cuộc sáp nhập lỗ đen từ 1,3 tỉ năm trước. Mất ngần ấy thời gian để những cuộn sóng trong không thời gian sau đó lan truyền đến trái đất. Cuộc phát hiện đó “là bằng chứng đầu tiên được quan sát về sự tồn tại của các hệ lỗ đen kép”, cặp lỗ đen tạo ra những va chạm vũ trụ, theo Gabriela González, nhà vật lý tại ĐH bang Louisiana và phát ngôn viên LIGO tại thời điểm phát hiện.

Giải Nobel 2017 đã được trao cho phát hiện này, phát hiện xác minh dự đoán thế kỷ về sóng hấp dẫn từ Thuyết tương đối của Einstein. Tuy vậy, Einstein cũng đã có điểm sai: ông nghĩ trên thực tế không bao giờ dò được sóng hấp dẫn.

Cuộc trưng trổ ánh sáng

Chỉ vài giây sai khi LIGO bắt được tín hiệu từ một sự kiện sóng hấp dẫn vào ngày 17/8/2017, Kính viễn vọng không gian tia gamma Fermi của NASA đã điểm được một chớp sáng các photon năng lượng cao cách đó 40 triệu parsecs. Hai cuộc phát hiện này là một cuộc trùng hợp.

Các nhà khoa học kết luận là cả hai sự kiện đều từ cuộc sáp nhập của hai sao neutron, những ngôi sao siêu đậm đặc, để trở thành một siêu tân tinh. Khi hai thiên thể này xoắn lại với nhau, chúng phát ra các sóng hấp dẫn khác biệt hoàn toàn với lỗ đen. Sự sáp nhập này tạo ra một sự phun trào ánh sáng gọi là bùng phát tia γ, dạng vụ nổi lớn nhất vũ trụ, qua đó củng cố ý tưởng về sự sáp nhập các thiên thể thực sự của các ngôi sao neutron.

Phát hiện này không chỉ là phát hiện đầu tiên về sáp nhập sao neutron mà còn là sự kết hợp đầu tiên của sóng hấp dẫn và ánh sáng. Nó củng cố lý thuyết sự sáp nhập của sao neutron tạo ra bùng phát tia γ và xác nhận sóng hấp dẫn và ánh sáng tại cùng tốc độ (như dự đoán của Einstein). Nó cũng tiết lộ nhiều cuộc sáp nhập tạo ra các nguyên tố nặng, bao gồm vàng và platinum. Đó là lý do giải thích tại sao các nhà nghiên cứu nhận xét phát hiện này là ‘sự kiện vàng;. “Đó là một phát hiện phong phú về sóng hấp dẫn, vật lý thiên văn và vật lý hạt nhân,” Peter Fritschel, phó giám đốc LIGO tại MIT, nói.

“Đó là một nguồn mà chúng ta đã chờ đợi từ lâu”, González nói.

Giải thưởng danh dự: cuộc sáp nhập khổng lồ

Vào ngày 23/11/2023, LIGO nghe thấy cuộc sáp nhập của các lỗ đen có khối lượng gấp 100 đến 140 lần khối lượng mặt trời. Trước LIGO, người ta chưa từng dò được một cuộc va chạm giữa hai vật thể lớn như vậy. Lỗ đen khổng lồ được tạo ra có khối lượng gấp 225 lần mặt trời.

Hai lỗ đen bố mẹ đã quay rất nhanh, với một “sự bẻ cong cả không thời gian làm gợi nhớ đến cách thức của một cơn bão vũ trụ”, theo Alessandra Buonanno, giám đốc của Viện nghiên cứu vật lý hấp dẫn Max Planck ở Potsdam, Đức. Các nhà nghiên cứu nghĩ hai vật thể tự nó đã được sinh ra từ các cuộc sáp nhập, khiến cho lỗ đen được tạo ra từ cuộc sáp nhập mới nhất này giống như lỗ đen cháu chắt. Tất cả dấu hiệu đều “gợi ra một lịch sử hình thành phức tạp”.

Anh Vũ dịch từ Nature

Nguồn: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-02872-5