Nếu thuyết tương đối rộng của Albert Einstein vẫn đúng, thì một lỗ đen ra đời từ sự va chạm chấn động vũ trụ của hai siêu lỗ đen sẽ tự “ngân reo” sau đó, tạo ra sóng hấp dẫn y hệt như một cái chuông bị gõ ngân lên các sóng âm. Einstein dự đoán rằng một độ cao nhất định và mode tắt dần của các sóng này sẽ là một dấu hiệu trực tiếp về khối lượng và spin của lỗ đen mới hình thành.
Nay, lần đầu tiên, các nhà vật lí đến từ Viện Công nghệ Massachusetts và nhiều người khác đã “nghe được” tiếng reo của một lỗ đen sơ sinh, và tìm thấy rằng, quả thật, kiểu tín hiệu ngân reo này dự đoán khối lượng và spin của lỗ đen đó – thêm một bằng chứng nữa cho thấy Einstein vẫn đúng.
Các kết quả được công bố hôm 11 tháng Chín trên tạp chí Physical Review Letters, và nó nghiêng về ý tưởng rằng các lỗ đen đúng là không có “tóc” – một phép ẩn dụ ý nói các lỗ đen, theo lí thuyết Einstein, chỉ biểu hiện ba đặc tính có thể quan sát được: khối lượng, spin, và điện tích. Toàn bộ những đặc tính khác, được nhà vật lí John Wheeler ví von là “tóc” sẽ bị chính lỗ đen đó nuốt chửng, và do đó sẽ không thể quan sát được.
Kết quả của đội nghiên cứu ủng hộ ý tưởng rằng các lỗ đen, quả thật, không có tóc. Các nhà nghiên cứu đã có thể nhận ra kiểu reo của một lỗ đen, và, sử dụng các phương trình Einstein, họ tính ra được khối lượng và spin mà lỗ đen đó phải có, với kiểu reo đã biết của nó. Những tính toán này khớp với các phép đo khối lượng và spin của lỗ đen được những người khác thực hiện trước đây.
Nếu tính toán của đội lệch nhiều với các phép đo cũ, thì nó sẽ đề xuất rằng tiếng reo của lỗ đen giải mã những đặc tính khác ngoài khối lượng, spin, và điện tích – bằng chứng trêu ngươi của nền vật lí vượt ngoài những gì lí thuyết Einstein có thể giải thích. Song hóa ra kiểu reo của lỗ đen là một dấu hiệu trực tiếp về khối lượng và spin của nó, hậu thuẫn thêm cho quan niệm rằng lỗ đen là những kẻ khổng lồ “đầu trọc” không có những tính chất giống-tóc để có thể tóm bắt được.
“Chúng ta thảy đều kì vọng thuyết tương đối rộng là đúng, nhưng đây là lần đầu tiên chúng ta xác nhận được nó theo cách này,” theo lời Maximiliano Isi, tác giả đứng tên đầu của nghiên cứu trên, một nhà nghiên cứu tại Viện Thiên văn Vật lí và Không gian Kavli. “Đây là phép đo thực nghiệm đầu tiên thành công trong việc kiểm tra trực tiếp định lí không-tóc. Nó không có nghĩa là các lỗ đen không có tóc. Nó có nghĩa là bức tranh về các lỗ đen không có tóc sống được thêm một thời gian nữa.”
Tiếng rúc rích, đã giải mã
Vào ngày 9 tháng Chín, 2015, các nhà khoa học lần đầu tiên dò được sóng hấp dẫn – những gợn lăn tăn vô cùng nhỏ trong không-thời gian, tỏa ra từ những hiện tượng vũ trụ dữ dội ở xa. Sự kiện được phát hiện bởi Giao thoa kế Sóng hấp dẫn Laser, LIGO, và được đặt tên là GW150914. Sau khi loại hết nhiễu và nhìn kĩ vào tín hiệu, các nhà khoa học quan sát thấy một dạng sóng nhanh chóng đạt đỉnh trước khi nhạt dần. Khi họ phiên dịch tín hiệu ấy thành âm thanh, họ nghe được thứ gì đó na ná như “tiếng rúc rích”.
Các nhà khoa học xác định được các sóng hấp dẫn đó được phát ra bởi sự xoắn quyện nhanh của hai siêu lỗ đen. Cực đại của tín hiệu – phần ồn ào nhất của tiếng rúc rích – liên hệ với đúng thời khắc hai lỗ đen va chạm, hợp thành một lỗ đen mới. Mặc dù lỗ đen sơ sinh này có khả năng giải phóng sóng hấp dẫn của riêng nó, nhưng tiếng reo của nó, theo các nhà vật lí, sẽ quá yếu để giải mã giữa mớ hỗn độn của vụ va chạm ban đầu.
Tuy nhiên, Isi và các đồng sự tìm thấy một cách trích xuất tiếng ngân reo của lỗ đen từ những thời khắc ngay sau cực đại của tín hiệu. Trong công trình nghiên cứu trước đây dưới sự chỉ đạo của đồng tác giả của Isi, Matthew Giesler, đội nghiên cứu đã chỉ ra thông qua các mô phỏng rằng một tín hiệu như thế, và đặc biệt phần tín hiệu ngay sau cực đại, có chứa “các âm bội”, một họ âm ồn ào, thời gian tồn tại ngắn. Khi họ phân tích lại tín hiệu, xét đến các âm bội, các nhà nghiên cứu phát hiện thấy họ có thể tách ra thành công một kiểu ngân reo đặc trưng cho một lỗ đen mới ra đời.
Trong bài báo mới của đội, các nhà nghiên cứu áp dụng kĩ thuật này cho dữ liệu thực tế từ sự kiện GW150914, tập trung vào vài mili giây cuối cùng của tín hiệu, ngay sau cực đại của tiếng rúc rích. Xét luôn các âm bội của tín hiệu, họ có thể phân biệt rõ một tiếng ngân reo đến từ lỗ đen sơ sinh mới chào đời. Đặc biệt, họ nhận ra hai âm đặc trưng, mỗi âm có một độ cao và tốc độ tắt dần họ có thể đo được.
“Chúng tôi phát hiện một tín hiệu sóng hấp dẫn tổng thể gồm nhiều tần số, chúng tắt dần ở những tốc độ khác nhau, giống như các cao độ khác nhau tạo nên một âm thanh,” Isi nói. “Mỗi tone hay tần số tương ứng với một tần số dao động của lỗ đen mới sinh..”
Lắng nghe tín hiệu vượt ngoài lí thuyết Einstein
Thuyết tương đối rộng của Einstein dự đoán rằng độ cao và sự tắt dần của sóng hấp dẫn của một lỗ đen phải là một sản phẩm trực tiếp của khối lượng và spin của nó. Nghĩa là, một lỗ đen với khối lượng và spin cho trước chỉ có thể tạo ra những tone có độ cao và mode tắt dần nhất định. Là một phép kiểm tra lí thuyết của Einstein, đội nghiên cứu đã sử dụng các phương trình của thuyết tương đối rộng để tính khối lượng và spin của lỗ đen mới ra đời, với độ cao và mode tắt dần của hai tone mà họ phát hiện.
Họ tìm thấy các tính toán của họ ăn khớp với các phép đo về khối lượng và spin của lỗ đen ấy do những người khác thực hiện trước đây. Isi cho biết các kết quả chứng minh rằng các nhà nghiên cứu quả thật có thể sử dụng các phần ồn ào nhất, dễ phát hiện nhất của một tín hiệu sóng hấp dẫn để phân biệt tiếng reo của một lỗ đen mới. Trước đây các nhà khoa học vốn cho rằng tiếng reo này chỉ có thể dò tìm được trong đoạn cuối mờ nhạt hơn nhiều của tín hiệu sóng hấp dẫn, và chỉ có thể dò được với các trang thiết bị nhạy hơn nhiều so với hiện nay.
“Điều này thật hào hứng đối với cộng đồng bởi lẽ nó chỉ ra được những kiểu nghiên cứu như vậy bây giờ là có thể làm được, chứ không phải trong 20 năm nữa,” Isi nói.
Khi LIGO cải tiến độ phân giải của nó, và các trang thiết bị nhạy hơn đi vào hoạt động trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ có thể sử dụng phương pháp của nhóm Isi để “lắng nghe” tiếng ngân reo của những lỗ đen mới chào đời khác. Và cứ cho rằng họ thu được những tone không khớp lắm với các dự đoán của Einstein, thì đó có thể là một triển vọng còn hào hứng hơn nữa.
“Trong tương lai, chúng ta sẽ có các detector tốt hơn trên Trái Đất và trong không gian, và sẽ có thể nhìn thấy không chỉ hai, mà là hàng chục mode, và xác định được đặc tính của chúng một cách chính xác,” Isi nói. “Nếu đây không phải là những lỗ đen như Einstein dự đoán, nếu chúng là những vật thể còn lạ hơn nữa, ví dụ như lỗ sâu hay sao boson, thì chúng có thể không ngân reo theo cách giống như vậy, và chúng ta sẽ có cơ hội nhìn thấy chúng.”
Tham khảo: arxiv.org/abs/1905.00869
Nguồn: PhysOrg.com
