Sóng hấp dẫn khổng lồ: tại sao các nhà khoa học lại phấn khích?

Các nhà vật lý thiên văn miêu tả những gì mà các sóng hấp dẫn ở quy mô thiên hà có thể đem lại ý nghĩa cho hiểu biết của chúng ta về các lỗ đen và lịch sử vũ trụ.

Vào ngày 29/6, bốn nhóm nghiên cứu khác nhau đã cùng có một thông báo, hứa hẹn sẽ khuấy đảo lĩnh vực vật lý thiên văn: họ đã thấy những gợi ý rất rõ ràng của sóng hấp dẫn rất dài làm uốn cong cả Ngân hà.

Sóng hấp dẫn cuộn xoắn trong bề mặt không – thời gian được tạo ra khi các vật thể khối lượng lớn gia tốc. Lần đầu tiên dò được chúng vào năm 2015 nhưng những bằng chứng mới nhất đã gợi ý ở những cuộn sóng ‘quái vật’ với các bước sóng cỡ 0,3 parsecs (một năm ánh sáng) hoặc hơn nữa; các sóng được dò này có những bước sóng dài hàng chục đến hàng trăm ki lô mét.

Nature sẽ nói về những gì mà những sóng hấp dẫn ‘quái vật’ này có ý nghĩa gì với vũ trụ và cách lĩnh vực này có thể phát triển.

Sóng hấp dẫn mới được loan báo khác biệt như thế nào mới những gì mà các nhà khoa học từng phát hiện trước đây?

Sóng hấp dẫn đã được tìm thấy đầu tiên bởi cặp máy dò LIGO ở Louisiana và Washington. Chúng nhận biết được những cuộn xoắn này là do hai lỗ đen xoắn ốc và sáp nhập. LIGO và Virgo ở châu Âu từng dò được hàng tá những sự kiện tương tự.

Với những kết quả mới, các tác giả tin tưởng vào những ngôi sao dẫn đường cụ thể mà người ta vẫn gọi là những ngôi sao xung mili giây (millisecond pulsars). Nhóm nghiên cứu đã dò theo những thay đổi theo thời gian hơn một thập kỷ ở khoảng cách giữa trái đất và các ngôi sao xung mili giây trong dải Ngân hà, so sánh các tín hiệu từ những dãy gồm hàng tá ngôi sao đèn hiệu đó. Các dãy sao xung xếp theo thời gian (PTAs) đều rất nhạy với các sóng có các bước sóng cỡ 0,3 parsec hoặc hơn thế.

Và ngược lại, LIGO và Virgo đã điểm trúng bằng chứng của những giai đoạn mới nhất của những sự kiện sáp nhập đơn lẻ – những sóng cách đều nhau được lan truyền qua không gian từ một hướng xác định trên bầu trời – bốn nhóm hợp tác PTA chỉ tìm thấy “một cái nền ngẫu nhiên’, một sự ‘chen lấn’ không đổi trong các hướng ngẫu nhiên. Có thể so sánh nó với sự ngẫu nhiên của việc những hạt mưa rơi nặng hạt lên bề mặt một cái bể, tạo ra những cú đánh ngẫu nhiên vào nước.

Cái gì là nguồn gốc của sóng?

Lời giải thích dường như hợp lý nhất cho cái bức xạ nền ngẫu nhiên do các PTAs phát hiện ra là nó được tạo ra bằng nhiều cặp lỗ đen siêu khối lượng mà quỹ đạo của mỗi cặp lại ở tâm của của các thiên hà gần nhau, Sarah Burke-Spolaor, một nhà vật lý thiên văn tại trường đại học West Virginia ở Morgantown.

Phần lớn các thiên hà đều được nghĩ là nơi cư ngụ của những lỗ đen ‘quái vật’ với khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỉ lần mặt trời. Và các nhà thiên văn học biết rằng trong suốt lịch sử vũ trụ, nhiều thiên hà đã được sáp nhập với nhau. Vì vậy một số thiên hà phải kết thúc sự tồn tại cùng hai lỗ đen siêu khối lượng, được biết đến với tên gọi là một cặp lỗ đen.

Các nhà nghiên cứu đã tính toán, trong trung tâm chật chội của một thiên hà được hình thành qua quá trình sáp nhập, mỗi lỗ đen có thể chuyển một số momentum của mình vào các ngôi sao xung quanh, ném chúng ra ngoài với một tốc độ cao hoặc đơn giản là xoay chúng xung quanh. Và một kết quả là, hai lỗ đen cuối cùng có thể quay chậm lại và kết thúc bằng việc quay quanh nhau ở khoảng cách khoảng một parsec, theo giải thích của Chiara Mingarelli, một nhà vật lý thiên văn sóng hấp dẫn tại ĐH Yale ở New Haven, Connecticut.

Tuy vậy chỉ có những lỗ đen kết cặp mới có thể tiến gần nhau hơn một parsec và chúng có thể đem lại tín hiệu PTA. “Chúng cần được phân tách khoảng một milliparsec để phát ra những sóng hấp dẫn có thể dò được”, Mingarelli nói. Các lý thuyết giải thích vì sao điều này xảy ra đều mang tính suy đoán, và việc liệu các lỗ đen đôi có thể làm được điều này không vẫn còn là câu hỏi mở mà người ta gọi là vấn đề parsec cuối cùng. “Nếu anh không mở bài toán parsec cuối cùng, anh không có thể có được bất cứ sóng hấp dẫn nào”, Mingarelli.

Các nhà khoa học hiện sẽ tìm kiếm để phân loại tín hiệu PTA thực sự xuất phát từ các lỗ đen đôi siêu khối lượng. Nếu điều này được xác nhận, đó có thể là bằng chứng cho thấy các lỗ đen siêu khối lượng có thể tiến gần lại nhau hơn trong tự nhiên.

Kết quả này có thể mang tầm quan trọng rất cơ bản, theo nhận xét của Monica Colpi, một nhà vật lý thiên văn tại ĐH Milan-Bicocca ở Italy – chứng tỏ rằng hàng trăm lỗ đen đôi khắp vũ trụ đều có thể giải được bài toán parsec cuối cùng bằng cách này hay cách khác. “Đây có thể là khám phá về sự tồn tại của cả một quần thể”.

“Anh có thể nghĩ mỗi cặp lỗ đen siêu khối lượng như một nhạc cụ, và bức xạ nền sóng hấp dẫn là một dàn nhạc giao hưởng được hình thành từ việc tập hợp mỗi nhạc cụ như vậy lại với nhau”, Maura McLaughlin, nhà vật lý thiên văn ở ĐH West Virginia University, nói. Nhưng mỗi “nhạc cụ” này phải tồn tại và chúng cũng có thể đóng góp vào việc tạo ra tạp âm vũ trụ của những sóng hấp dẫn khổng lồ này.

Những lỗ đen đôi có ý nghĩa gì với LISA, cỗ máy dò vũ trụ được EU lên kế hoạch?

Các cặp lỗ đen siêu khối lượng lại gần nhau đủ để phát ra sóng hấp dẫn có thể cuối cùng sẽ va chạm và sáp nhập. Đó là bởi vì sóng hấp dẫn tự nó có thể mang theo năng lượng và momentum từ các lỗ đen, chuyển quỹ đạo của mình thành đường xoắn ốc. Trong hàng trăm đến hàng vạn năm, từng cặp có thể đi đến khả năng va chạm nhau.

Colpi cho rằng điều này có thể là tin tốt cho Ăng ten không gian giao thoa kế laser (LISA), một bộ ba thí nghiệm của Cơ quan vũ trụ châu Âu được lên kế hoạch lắp đặt vào giữa những năm 2030.

Khi các lỗ đen đi theo đường xoắn ốc hướng vào, các tần số của sóng hấp dẫn do chúng tạo ra sẽ gia tăng và trong một số trường hợp, có thể nhảy vào phổ cực nhạy của LISA. LISA sẽ rất nhạy với các bước sóng giữa 3 triệu km đến 3 tỉ km – ngắn hơn bước sóng mà các PTA có thể dò được, dẫu còn dài hơn cả những bước sóng do các máy dò đặt trên mặt đất phát hiện ra. Vì vậy LISA có thể thấy được rất nhiều cuộc sáp nhập trong suốt thời kỳ hoạt động của mình.

Các cuộc sáp nhập lỗ đen có thể giúp giải thích một số lỗ đen có thể còn trở nên lớn hơn như thế nào: bản thân chúng cũng là kết quả của những sáp nhập sớm hơn nữa.

Có phải có những thứ khác hơn là các lỗ đen đôi tạo ra bức xạ nền ngẫu nhiên?

Có vô số lý thuyết vật lý mới dự đoán là một bức xạ nền đa hướng tương tự của sóng xuất phát từ mọi hướng trong không gian. Các nguồn này có thể tiếp tục là một phần hoặc thạm chí là toàn phần tín hiệu. Khả năng này bao gồm cả các dạng nhất định của vật chất tối và ngay cả các dây vũ trụ, các phá vỡ đối xứng mỏng bé nhỏ được giả thuyết trong bề mặt cong của không – thời gian. Các dây vũ trụ có thể phát triển thành các nút, có thể cuối cùng sẽ bị gãy để tạo ra sóng hấp dẫn.

Một trong những giải thích thay thế thú bị nhất là một bức xạ nền sóng hấp dẫn vũ trụ khởi nguyên từ một vũ trụ sớm, Burke-Spolaor nói. Các kính viễn vọng nhìn khắp phổ điện từ – từ sóng radio đến tia γ – đều bị giới hạn trong phạm vi chúng có thể nhìn, và do dó là quá khứ bao xa mà chúng có thể thấy. Sở dĩ có điều này là bởi vì rất lâu trước khi các thiên hà và ngôi sao tồn tại, một dạng khí ion hóa chắn sáng nhồi đầy trong vũ trụ này. Chính nó chắn cái nhìn của các nhà thiên văn học về cái gì đã diễn ra trong vũ trụ trong suốt 400.000 năm đầu tiên hoặc hơn nữa.

Nhưng sóng hấp dẫn có thể di chuyển khắp mọi môi trường. Và kết quả là bất cứ sóng nào được tạo ra kể từ thời điểm đầu tiên sau Big Bang vẫn còn có thể có xung quanh và dò được như một phần của bức xạ nền ngẫu nhiên, đưa đến một cửa số vào thứ vật lý cực đoan của Big Bang. “Đó thực sự là một thứ kỳ diệu với tôi”, Burke-Spolaor nói. “Ai mà biết được những thứ gì đằng sau nó”.

“Có rất nhiều việc chúng ta có thể làm suốt thập kỷ tới”, McLaughlin nhận xét. “Thực sự, điều này không có nghĩa là điểm kết thúc của câu chuyện vũ trụ này, ngược lại nó mới chỉ là khúc khởi đầu”.

Thanh Đức tổng hợp

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-023-02203-6

https://www.scientificamerican.com/article/scientists-thrill-at-first-hints-of-cosmic-hum-from-giant-gravitational-waves1/

Tác giả