Nghiên cứu giải các câu đố trong suy sụp hấp dẫn của các sóng hấp dẫn
Các lỗ đen là những vùng trong không gian nơi lực hút hấp dẫn quá mạnh đến mức không có gì thoát khỏi nó, ngay cả ánh sáng. Những vùng đầy hấp dẫn đó đã là chủ điểm của vô vàn nghiên cứu bởi bản chất vật lý nằm trong sự hình thành của nó vẫn còn chưa được hiểu một cách đầy đủ.
Các lỗ đen hình thành trong cái mà người ta vẫn gọi là suy sụp hấp dẫn. Về cơ bản đây là sự co ngót của một vật thể vũ trụ, do chính hấp dẫn của nó hút vật chất vào trong (ví dụ, hướng vào tâm hấp dẫn của vật thể).
Liệu có hay không một vật thể suy sụp thành một lỗ đen phụ thuộc vào các đặc tính cụ thể của vật thể đó? Trong một số trường hợp, một vật thể có thể rất gần với ngưỡng này, có gặp khó khăn trong việc liệu hình thành một lỗ đen hay không. Dạng suy sụp này dẫn đến cái mà người ta vẫn gọi là hiện tượng tới hạn.
Các nhà vật lý đã cố gắng hiểu hiện tượng tới hạn trong suy sụp hấp dẫn qua nhiều thập kỷ, khi một số đặc tính của nó đã được chia sẻ với những hệ vật lý đã biết. Một nghiên cứu mới được xuất bản trên Physical Review Letters 1, do một nhóm nghiên cứu quốc tế, gồm các nhà nghiên cứu ở Bowdoin College, Mỹ và các viện nghiên cứu ở Đức, Prague, Anh và Portugal, tìm thấy sự chia sẻ giữa ba mô phỏng số được vận hành một cách độc lập về các hiện tượng đó và giải được một vài câu hỏi tồn tại trong thời gian dài trong lĩnh vực nghiên cứu này.
“Hiện tượng tới hạn trong suy sụp hấp dẫn, gần với sự hình thành của lỗ đen, đã được Matt Choptuik nêu khoảng 30 năm trước”, Thomas W. Baumgarte, đồng tác giả của nghiên cứu, nói với Phys.org.
“Một phần vì các hiệu ứng chia sẻ nhiều đặc tính với hiện tượng tới hạn trong những lĩnh vực khác của vật lý (ví dụ các chuyển pha trong vật lý thống kê) và một phần vì chúng giải quyết những câu hỏi cơ bản liên quan đến những đặc tính của hấp dẫn tổng quát, chúng đã thu hút ngay sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu từ nhiều lĩnh vực khác nhau của vật lý”.
Hai trong số những đặc tính thu hút nhất của suy sụp hấp dẫn tới hạn là tính phổ quát và tính tương đồng. Trong bối cảnh này, thuật ngữ phổ quát liên quan đến ý tưởng là bất kể phép tính bắt đầu như thế nào, khi các cách tiếp cận ngay từ khởi điểm sự hình thành của một lỗ đen, câu trả lời luôn luôn giống nhau. Sự tương đồng, nói cách khác, chính là lời giải phổ quát đó sẽ lặp lại các mẫu hình tương tự khi quy mô vật lý được thu nhỏ.
“Trong khi tính toán của Choptuik có cái gọi là trường vô hướng như một nguồn vật chất thì Andrew Abrahams và Chuck Evans lại nêu những hiệu ứng tương tự với suy sụp hấp dẫn của sóng hấp dẫn (ví dụ với hấp dẫn thuần túy trong sự thiếu vắng vật chất”, Baumgarte giải thích.
“Một khác biệt nữa là Choptuik đã giả định sự đối xứng hình cầu trong khi sóng hấp dẫn không tồn tại trong đối xứng hình cầu, vì vậy Abrahams và Evans đã phải nới lỏng giả thuyết về đối xứng hình cầu. Thật không may là rất khó tạo ra các kết quả sau này vì một số mã số không đúng trong trường hợp đó hoặc đem đến những kết quả hoàn toàn mâu thuẫn với kết quả của Abrahams và Evans”.
Theo sau những kết quả mâu thuẫn vào những năm 1990, bản chất của suy sụp tới hạn của “hấp dẫn thuần túy” vẫn còn là một bí ẩn chưa giải quyết được trong ba thập kỷ. Tuy nhiên gần đây, các nhóm nghiên cứu khác nhau đã thực hiện các mô phỏng số độc lập về sự suy sụp này, sử dụng các mã được phát triển độc lập.
“Tất cả các mã đó giải được phương trình hấp dẫn tổng quát của Einstein nhưng chúng lại có những chiến lược số khác nhau hoàn toàn (ví dụ các phương pháp phổ với phương pháp sai phân hữu hạn)”, Baumgarte nói. “Tọa độ Descartes với tọa độ cầu, các điều kiện gauge khác biệt… Các mã đó đem lại những lựa chọn khác nhau cho cái gọi là ‘điều kiện phân mảnh’”.
Chủ đề chính của nghiên của mà Baumgarte và cộng sự thực hiện là kiểm tra về mặt thu thập ba mô phỏng số của ba nhóm nghiên cứu khác nhau. Bài báo của họ do đó là nỗ lực hợp tác của các nhóm, hướng đến việc nối các nghiên cứu độc lập của nhau vào để rọi ánh sáng mới vào bản chất của suy sụp hấp dẫn.
“Phát hiện đầu tiên mà chúng tôi đã báo cáo, bất chấp những khác biệt mô phỏng số, các mã của chúng tôi tạo ra những kết quả nhất quán hoàn toàn với suy sụp tới hạn của sóng hấp dẫn”, Baumgarte nói. “Điều này khiến chúng tôi tự tin là những phát hiện đó chính xác. Tạo ra được một lựa chọn phù hợp cho điều kiện phân mảnh là điều quan trọng: một lựa chọn rất phổ biến, vốn thành công với các mô phỏng hấp dẫn số khác, đã thất bại trong trường hợp này đã giải thích vì sao một số nỗ lực giải quyết trước đây lại thất bại”.
Trong ba mô phỏng số độc lập của mình, các nhà nghiên cứu không tìm thấy bằng chứng ủng hộ đặc tính phổ quát. “Phát hiện của chúng tôi giải thích phần khác của câu đố này”, Baumgarte nói. Một số nghiên cứu trước cho thấy sự khác biệt trong kết quả của Abrahams với Evans, do đó xuất hiện mâu thuẫn. Tuy nhiên, những nghiên cứu đó cũng sử dụng dữ liệu ban đầu khác nhau. Sự bất đồng giữa những kết quả đó hình thành mâu thuẫn với giả định về tính phổ quát – bởi vậy chúng tôi không thấy bất cứ bằng chứng nào”.
Trong khi các nhà nghiên cứu không thấy bằng chứng về tính phổ quát thì họ lại tìm ra bằng chứng về tính tương đồng. Thú vị là không giống với quan sát trường hợp suy sụp tới hạn của đối xứng cầu, tính tương đồng họ quan sát không chính xác.
Trong những năm 1990, Abrahams và Evans đã báo cáo về sự tương đồng không chính xác. Những nghiên cứu gần đây phù hợp với những phát hiện đó, gợi ý là việc rời sự tương đồng chính xác có thể liên quan đến sự thiếu đối xứng cầu.
Nghiên cứu của Baumgarte và cộng sự có thể giúp tiến tới những nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số mới, hướng đến nghiên cứu sâu hơn và tái định hình suy sụp hấp dẫn của sóng hấp dẫn. Điều này có thể đưa các nhà vật lý tới gần hơn việc phát hiện bản chất và bí ẩn về hiện tượng vật lý có trước sự hình thành của các lỗ đen.
“Chúng tôi tin là dẫu công trình của mình đã giải quyết những câu hỏi mở trong bối cảnh suy sụp tới hạn của sóng hấp dẫn thì vẫn còn những câu hỏi tiếp theo”, Baumgarte nói thêm. “Ví dụ, chúng tôi tìm thấy những lời giải tính tương đồng xấp xỉ với một số tương đồng với dữ liệu ban đầu nhưng không như vậy với những thứ khác và bản chất của ‘lời giải ngưỡng’ cho những tương đồng khác vẫn còn chưa rõ”.
“Có thể là thực hiện những mô phỏng số với những tinh chỉnh tốt hon với sự hình thành lỗ đen ban đầu (sử dụng các mã mô phỏng số với độ phân giải tốt hơn và/hoặc cải thiện khác) để khám phá liệu lời giải tới hạn phổ quát xuất hiện với sự tinh chỉnh đó tốt hơn những gì đã đạt trước đây không”.
“Cuối cùng, chúng tôi lên kế hoạch tìm hiểu cái gì là nguyên nhân của sai lệch tính tương đồng chính xác và xác định liệu những sai lệch đó có liên quan trực tiếp với sự thiếu vắng đối xứng cầu hay không”.
Thanh Nhàn tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-11-puzzles-gravitational-collapse.html
———————————————-
1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.181401
