Sự sáp nhập lỗ đen “quái vật” lớn nhất từ trước đến nay
Máy dò sóng hấp dẫn LIGO đã điểm trúng các lỗ đen ‘cấm’ tự quay rất nhanh có thể thách thức các mô hình vật lý.
Các nhà vật lý đã dò được sự sáp nhập lớn nhất từ trước đến hay của các lỗ đen va chạm nhau. Phát hiện này có những gợi ý rất lớn cho hiểu biết của các nhà nghiên cứu về cách các thiên thể tăng trưởng trong vũ trụ.
“Đó là sự phấn khích cực độ”, theo Priyamvada Natarajan, một nhà vật lý thiên văn lý thuyết ở trường đại học Yale ở New Haven, Connecticut không tham gia vào nghiên cứu này. Các nhà vật lý khó có thể dễ dàng giải thích được sự sáp nhập giữa các lỗ đen siêu khối lượng này. “Chúng tôi đang tìm kiếm những lỗ đen siêu khối lượng đó”, cô nói.
Cuộc khám phá này xảy ra ở Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO), một cơ sở nghiên cứu bao gồm hai máy dò ở Mỹ. Nó cũng đến vào đúng thời điểm tài trợ cho việc dò tìm sóng hấp dẫn ở Mỹ đang phải đối mặt với tình trạng cắt giảm. Kết quả, đã được xuất hiện dưới dạng tiền ấn phẩm trên arXiv, đã được trình bày tại hội nghị sóng hấp dẫn GR-Amaldi ở Glasgow, Anh.
Khối lượng cấm
LIGO dò được sóng hấp dẫn bằng việc kích hoạt các tia laser chạy dài trong những cánh tay hình chữ L. Những thay đổi tinh tế trong chiều dài cánh tay tiết lộ sự có mặt của sóng hấp dẫn trên khắp hành tinh. Các con sóng này cuộn xoắn trong không thời gian, do sự gia tốc của các thiên thể siêu khối lượng như khi truyền từ hai lỗ đen hoặc sự sáp nhập của các sao neutron.
Hàng trăm cuộc sáp nhập đã được quan sát bằng sóng hấp dẫn kể từ cuộc phát hiện đầu tiên của LIGO vào năm 2015. Nhưng cuộc phát hiện mới nhất, vào tháng 11/2023, vẫn là lớn nhất. Bằng việc mô hình hóa tín hiệu do LIGO dò được, các nhà khoa học đã tính toán rằng sự kiện mang tên GW231123 này là do hai lỗ đen có khối lượng lớn gấp 100 và 140 lần mặt trời sáp nhập để cuối cùng hình thành một lỗ đen có khối lượng lớn gấp khoảng 225 lần khối lượng mặt trời.
“Đó là cuộc sáp nhập lớn nhất từ trước đến nay”, theo Mark Hannam, một nhà vật lý tại trường Cardiff, và là một phần của nhóm hợp tác LVK Collaboration, một mạng lưới rộng lớn các máy dò sóng hấp dẫn như LIGO, Virgo ở Ý và KAGRA ở Nhật Bản. Nó “lớn hơn khoảng 50% so với những kỷ lục trước đó”, ông nói.
Phần lớn các sự kiện mà LIGO nắm bắt được bao gồm các lỗ đen có khối lượng tương đương sao – vẫn được nghĩ là hình thành khi các ngôi sao siêu khối lượng kết thúc vòng đời như các siêu tân tinh. Tuy nhiên, hai lỗ đen trong sự kiện GW231123, thuộc phạm vi khối lượng gấp 60 đến 130 khối lượng mặt trời, lại không nằm trong quá trình vẫn được các lý thuyết dự đoán là các ngôi sao phải bị thổi tung ra xa. “Vì vậy có thể chúng không hình thành theo cơ chế thông thường”, Hannam nói.
Thậm chí, hai lỗ đen có thể được hình thành từ những cuộc sáp nhập sớm hơn – các sáp nhập được phân tầng của các thiên thể siêu khối lượng dẫn đến sự kiện mà LIGO dò được – vốn được ước tính đã xảy ra từ 0,7 đến 4,1 tỉ parsecs (tương đương 2,3 tỉ đến 13,4 tỉ năm ánh sáng) trước.
Đó giống như “bốn ông bà sáp nhập thành hai bố mẹ rồi thành một lỗ đen con cháu”, theo nhận xét của Alan Weinstein, một nhà vật lý ở Viện Công nghệ California ở Pasadena và tham gia nhóm hợp tác LVK Collaboration.
Các mô hình lỗ đen cũng cho thấy chúng đã tự quay rất nhanh — khoảng 40 lần mỗi giây, gần với giới hạn của những gì mà thuyết tương đối của Einstein dự đoán là có thể chạm tới. “Sự quay của chúng ở rất gần với mức trần có thể cho phép”, Weinstein nói.
Cả sự quay và khối lượng có thể cung cấp các manh mối về quá trình lớn lên của lỗ đen. Một trong những câu hỏi lớn nhất của thiên văn học là các lỗ đen lớn nhất, những lỗ đen siêu khối lượng vẫn ở tâm các thiên hà như dải Ngân hà, phát triển trong vũ trụ sớm như thế nào.
Dẫu có một ít bằng chứng về sự tồn tại của các lỗ đen có khối lượng tương đương sao và lỗ đen siêu khối lượng – những thiên thể có khối lượng lớn hơn cả triệu lần so với mặt trời – vẫn vô cùng có để tìm được những lỗ đen có khối lượng trung gian trong phạm vi từ 100 đến 100.000 lần khối lượng mặt trời. “Chúng ta không thể thấy chúng”, Natarajan nói.
Cuộc phát hiện mới nhất có thể nói với chúng ta rằng “những lỗ đen khối lượng trung bình bằng hàng trăm lần khối lượng mặt trời đóng vai trò nhất định trong sự tiến hóa của các thiên hà”, Hannam nói, có thể thông qua các cuộc sáp nhập phân tầng, có thể làm gia tăng tốc độ quay cũng như khối lượng, của các lỗ đen hình thành. “Từng chút từng chút một, chúng ta xây dần lên một danh sách các loại lỗ đen có ở trong vũ trụ”, anh nói.
Cắt giảm kinh phí phía trước
Tuy nhiên quá trình nghiên cứu này có thể bị nguy hại bởi chính quyền của tổng thống Donald Trump và đề xuất cắt giảm ngân sách cho Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ, nơi điều hành LIGO. Một trong hai đài quan sát sóng hấp dẫn của LIGO có thể bị đóng cửa.
Tại thời điểm cuộc dò tìm vào tháng 11/2023, Virgo và KAGRA không vận hành. Vắng hai máy dò, các nhà khoa học không chắc chắn là họ đã có một cuộc phát hiện thực sự về hai lỗ đen sáp nhập, Hannam nói. “Bởi vì chúng tôi có hai máy dò nên chúng tôi thấy được sự kiện đó xảy ra tại cùng thời điểm”, anh nói.
Sự kết thúc của một trong những đài quan sát đó có thể là “thảm họa”, Natarajan nói. “Khám phá này có thể đã không thể có nếu như một cánh tay ngừng hoạt động”.
Kế hoạch nâng cấp LIGO đã được ấn định vào năm tới, và cả việc bổ sung các máy dò mới trên khắp thế giới, bao gồm một máy ở Ấn Độ, có thể làm gia tăng năng lực của các nhà vật lý trong nghiên cứu về sóng hấp dẫn, một khu vực của thiên văn học đang ở thời kỳ sơ khai.
“Chúng ta sẽ thấy hàng ngàn lỗ đen trong vài năm tới”, Hannam nói. “Quá trình đầu tư lớn đã được thực hiện và đây mới chỉ là thành quả thu được bước đầu”.
Bội Linh dịch từ Nature
Nguồn: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-02212-7
