Âm thanh va chạm của hai hố đen: nhẹ nhàng và du dương đến không ngờ

Ba tỉ năm trước, một hiện tượng kỳ lạ đã xảy ra làm thay đổi vĩnh viễn cấu trúc của vũ trụ. Đó là vụ nổ siêu lớn tạo ra do hai hố đen khổng lồ va vào vào nhau. Kết quả của vụ va chạm này là một hố đen mới siêu lớn, nặng tương đương 49 lần mặt trời. Các nhà khoa học vừa ghi nhận được âm thanh phát ra từ sự va chạm của hai hố đen, thứ âm thanh hẳn sẽ khác xa với tưởng tượng của bạn.

Minh họa hai hố đen đang xoáy tròn quanh nhau. LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

Vụ nổ này đã hình thành và giải phóng mức năng lượng gấp hai lần khối lượng mặt trời chỉ trong vòng một phần trăm giây. Nó phát ra một sóng hấp dẫn mạnh đến nỗi làm thay đổi kết cấu của không gian - thời gian xung quanh nó. Các nhà khoa học gần đây đã có thể phát hiện được vụ va chạm chấn động này, từ đó thu được nhiều kiến thức hơn về hố đen và vũ trụ.

Đây là lần thứ ba các sóng hấp dẫn được ghi nhận bằng các thiết bị trên trái đất, và là lần đầu tiên được đo trực tiếp. Giờ đây, chúng ta đã có thể biết được nhiều hơn về khối lượng của các hố đen, cách chúng hình thành, khu vực tồn tại của chúng và cách chúng xoáy tròn quanh nhau trước khi sáp nhập thành một. Trong trường hợp đặc biệt khi va chạm, với một hố đen có khối lượng gấp 30 lần mặt trời, cái còn lại gấp 19 lần, cái lớn hơn sẽ hút cái nhỏ hơn về phía mình.

Khi hai hố đen tiến đến gần nhau hơn, chúng bắt đầu xoáy xung quanh nhau như đang trong một điệu valse kéo dài, cùng lúc đó chúng phát ra các sóng hấp dẫn. Chúng ngày càng tiến lại gần nhau hơn rồi sáp nhập thành một, gây ra một sự bùng nổ trong tỷ lệ thiên văn. Các âm thanh phát ra lãng mạn một cách ảm đạm. Phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters. Các nhà khoa học còn có thể ghi nhận được các âm thanh bằng cách kết hợp với những thu nhận bao quát cuối cùng của họ.

Âm thanh du dương của vụ va chạm giữa hai hố đen.

Phát hiện này được thực hiện bởi đài quan sát sóng hấp dẫn hàng đầu của quỹ khoa học quốc gia (NSF). Cơ sở này được gọi là đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế Laser (LIGO). Nó được vận hành bởi một nhóm các nhà khoa học quốc tế đến từ NASA, MIT, và Caltech.

LIGO có hai cơ sở, một ở Hanford, Washington State, và một ở gần Livingston, Louisiana, cách nhau 1,800 dặm (khoảng 2,896 km). Các sóng hấp dẫn thật sự rất khó để nhận biết và đo đạc. Chúng làm thay đổi vùng không gian phía trên và xung quanh trái đất chỉ bằng một phần nhỏ kích thước của một proton. Tuy nhiên, LIGO cũng là một thiết bị rất nhạy cảm, nó có thể phát hiện ra được ngay cả những thay đổi rất nhỏ.

Biểu đồ so sánh khối lượng của các hố đen tạo ra sau các vụ va chạm với nhau và với khối lượng của mặt trời. LIGO.

Giao thoa kế về cơ bản là một thiết bị đo lường dựa trên laser, nó có thể phát hiện ra và định vị được nguồn gốc của các sóng hấp dẫn. Các nhà nghiên cứu có thể biết thêm được rất nhiều về lực hấp dẫn (là một trong bốn lực chính của vũ trụ) thông qua việc xem xét kỹ ánh sáng và không gian của hai giao thoa kế khổng lồ này. Các nhà khoa học của LIGO cho biết, hai đài quan sát này có cùng mức độ phức tạp với máy gia tốc hạt lớn (LHC) tại CERN (Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu). LIGO sẽ có trách nhiệm tiến hành các cuộc khám phá để biết được sự tác động của sóng hấp dẫn đến cơ học lượng tử, thuyết tương đối, thiên văn học và thậm chí là vật lý hạt nhân.

Hai phòng thí nghiệm của LIGO được đặt cách nhau hàng ngàn km.

Một thành viên của nhóm LIGO, Laura Cadonati một nhà khoa học đến từ Georgia Tech đã có một vài chia sẻ với tờ báo National Geographic. Bà nói, “Trước các cuộc khám phá này, chúng tôi thậm chí còn không biết đến sự tồn tại của các hố đen”. Trước đó, các nhà thiên văn học đã nghĩ rằng, họ sẽ không bao giờ tìm ra được một thứ có khối lượng gấp 10 lần mặt trời. Những kết quả mới được ghi nhận này cho thấy, hố đen thật sự có khối lượng lớn hơn rất nhiều so với những gì họ có thể tưởng tượng.

Vậy nói một cách chính xác thì hố đen là gì? Hố đen là tàn tích của một ngôi sao khổng lồ. Các nhà thiên văn học tin rằng, một ngôi sao khổng lồ sẽ sụp đổ khi sắp cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân. Ngôi sao nhỏ hơn (tính theo kích cỡ của mặt trời) cuối cùng sẽ giãn ra thành một màu đỏ khổng lồ rồi suy sụp thành một sao lùn trắng.

Với những ngôi sao lớn hơn thì quá trình xảy ra sẽ khác một chút. Lúc này áp suất bên ngoài đẩy năng lượng đi vào trong không gian biến mất. Kết quả là trọng lực không còn được bù đắp và do đó nó bắt đầu kéo mọi thứ xung quanh vào bên trong nó với sức mạnh khủng khiếp. Từ vụ sáp nhập của hai lỗ đen, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu và vào tháng 9 và tháng 12 năm 2015, các sóng hấp dẫn (đến từ sự sáp nhập của hai lỗ đen nói trên) đã được ghi nhận.

Một lý thuyết cho rằng, các hố đen như đã nói ở trên hình thành từ các ngôi sao mà phần lớn được cấu tạo từ helium và hydrogen. Các khí này ổn định và mất dần khối lượng theo thời gian khiến cho khi ngôi sao chết đi, vụ nổ hình thành hố đen mạnh mẽ hơn rất nhiều

LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

Nhóm các nhà khoa học LIGO đã nghiên cứu các sóng hấp dẫn đã được phát hiện một cách cẩn thận. Từ đó họ có thể xác định được hướng mà mỗi hố đen đang quay tròn và trục của chúng trước khi va chạm vào nhau. Các nhà khoa học đã đưa ra một giả thuyết rằng có thể có các ngôi sao chị em. Các hố đen vẫn xoay tròn trong bóng đêm đen tối nhất, xoay quanh nhau như kiểu vờn mồi của thú ăn thịt, cho đến khi cả hai hòa vào nhau.

Tuy nhiên một vài dữ liệu cho thấy, trên thực tế các ngôi sao tạo ra các hố đen này thật sự ở rất xa nhau.Và cuối cùng, với một phác họa ở mức độ lớn hơn, các nhà khoa học đã tìm thấy chúng nằm trên quỹ đạo của nhau. Họ hi vọng rằng, các phát hiện này sẽ giúp chúng ta hiểu hơn về các ngôi sao và cách chúng phát triển theo thời gian. Các nhà khoa học cũng hi vọng có được cái nhìn sâu hơn về các vật chất tối.

Sóng hấp dẫn đã được Albert Einstein dự đoán tồn tại khi ông thiết lập công thức về thuyết tương đối, cách đây một thế kỷ. Nhưng ông đã nghĩ rằng tác động của chúng rất nhỏ, và chúng ta sẽ không có khả năng đo lường được chúng. Ngày nay không những có thể đo lường được, mà thông qua những dữ liệu thu thập được, chúng ta có thể hiểu về vũ trụ theo một cách hoàn toàn mới.

Cho đến nay hầu hết các quan sát của chúng ta đối với vũ trụ đã được điện từ hóa. Nhưng với các phép đo và quan sát được về lực hấp dẫn một cách chính xác, chúng ta có thể hiểu biết nhiều hơn về vũ trụ thông qua một ống kính hoàn toàn khác biệt.