Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Theo một nghiên cứu mới đây, một sự hợp nhất lệch nhau của hai lỗ đen có thể có một câu chuyện kỳ quặc về nguồn gốc của các lỗ đen.
Theo một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại MIT và các nơi khác, một sự hợp nhất lệch nhau giữa hai lỗ đen có thể có một câu chuyện kỳ quặc về nguồn gốc.
Sự hợp nhất được phát hiện lần đầu tiên vào ngày 12 tháng 4 năm 2019 dưới dạng một sóng hấp dẫn đến các máy dò của cả LIGO (Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser) và đối tác Ý của nó, Virgo. Các nhà khoa học đặt tên cho tín hiệu là GW190412 và xác định rằng nó phát ra từ cuộc đụng độ giữa hai lỗ đen David-và-Goliath, một lỗ lớn gấp ba lần lỗ kia. Tín hiệu đánh dấu sự phát hiện đầu tiên về sự hợp nhất giữa hai lỗ đen có kích thước rất khác nhau.
Hiện nay, nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Physical Review Letters cho thấy sự hợp nhất lệch lạc này có thể bắt nguồn từ một quá trình rất khác so với cách mà hầu hết các hợp nhất, hoặc mã nhị phân, được cho là hình thành.
Nhiều khả năng bản thân lỗ đen lớn hơn là sản phẩm của sự hợp nhất trước đó giữa hai lỗ đen mẹ. Goliath quay ra khỏi vụ va chạm đầu tiên đó có thể đã biến thành xung quanh một “cụm hạt nhân” dày đặc trước khi hợp nhất với lỗ đen thứ hai, nhỏ hơn – một sự kiện khốc liệt đã gửi sóng hấp dẫn lan truyền trong không gian.
GW190412 sau đó có thể là một thế hệ thứ hai, hoặc hợp nhất “phân cấp”, khác với các vụ sáp nhập thế hệ đầu tiên khác mà LIGO và Virgo đã phát hiện cho đến nay.
Đồng tác giả nghiên cứu Salvatore Vitale, trợ lý giáo sư vật lý tại MIT và là thành viên LIGO, cho biết: “Sự kiện này là một điều kỳ quặc mà vũ trụ đã ném vào chúng ta – đó là điều mà chúng ta không thấy sắp tới. Nhưng không có gì xảy ra chỉ một lần trong vũ trụ. Và những thứ như thế này, mặc dù rất hiếm, chúng ta sẽ gặp lại, và chúng ta sẽ có thể nói nhiều hơn về vũ trụ.”
Đồng tác giả của Vitale là Davide Gerosa của Đại học Birmingham và Emanuele Berti của Đại học Johns Hopkins.
Một cuộc đấu tranh để giải thích
Có hai cách chính mà sự hợp nhất lỗ đen được cho là hình thành. Quá trình đầu tiên được gọi là một quá trình bao chung, trong đó hai ngôi sao lân cận, sau hàng tỷ năm, phát nổ để tạo thành hai lỗ đen lân cận cuối cùng chia sẻ một bao chung, hay đĩa khí. Sau vài tỷ năm nữa, các lỗ đen xoắn vào và hợp nhất.
Vitale nói: “Bạn có thể nghĩ về điều này giống như một cặp vợ chồng ở bên nhau cả đời. Quá trình này được nghi ngờ là xảy ra trong đĩa của các thiên hà giống như của chúng ta.”
Con đường phổ biến khác mà sự hợp nhất lỗ đen hình thành là thông qua tương tác động lực học. Hãy tưởng tượng, thay cho một môi trường một vợ một chồng, một thiên hà rave, nơi hàng ngàn lỗ đen được nhồi nhét vào một vùng nhỏ và dày đặc của vũ trụ. Khi hai lỗ đen bắt đầu hợp tác với nhau, một phần ba có thể hất văng cặp đôi trong một tương tác động lực học có thể lặp lại nhiều lần, trước khi một cặp lỗ đen cuối cùng hợp nhất.
Trong cả quá trình bao chung và kịch bản tương tác động học, các lỗ đen hợp nhất phải có khối lượng gần giống nhau, không giống như tỷ lệ khối lượng lệch nhau của GW190412. Chúng cũng không nên có độ xoáy tương đối, trong khi GW190412 có độ xoáy cao đáng ngạc nhiên.
Điểm mấu chốt là, cả hai kịch bản này, mà mọi người thường nghĩ là vườn ươm lý tưởng cho các nhị phân lỗ đen trong vũ trụ, phải vật lộn để giải thích tỷ lệ khối lượng và độ quay của sự kiện này.
Trình theo dõi lỗ đen
Trong bài báo mới của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hai mô hình để chỉ ra rằng rất ít khả năng GW190412 đến từ một quy trình phong bì thông thường hoặc một tương tác động học.
Đầu tiên, họ mô hình hóa sự tiến hóa của một thiên hà điển hình bằng cách sử dụng STAR TRACK, một mô phỏng theo dõi các thiên hà qua hàng tỷ năm, bắt đầu với sự hợp nhất của khí và tiến tới cách các ngôi sao hình thành và phát nổ, sau đó sụp đổ thành các lỗ đen cuối cùng hợp nhất. Mô hình thứ hai mô phỏng các cuộc gặp gỡ ngẫu nhiên, động lực học trong các cụm cầu – mật độ dày đặc của các ngôi sao xung quanh hầu hết các thiên hà.
Nhóm nghiên cứu đã chạy cả hai mô phỏng nhiều lần, điều chỉnh các thông số và nghiên cứu các đặc tính của sự hợp nhất lỗ đen xuất hiện. Đối với những sự hợp nhất được hình thành thông qua một quy trình chung, một sự hợp nhất như GW190412 là rất hiếm, chỉ xảy ra sau vài triệu sự kiện. Các tương tác động có nhiều khả năng tạo ra sự kiện như vậy hơn, sau vài nghìn lần hợp nhất.
Tuy nhiên, GW190412 đã được phát hiện bởi LIGO và Virgo chỉ sau 50 lần phát hiện khác, cho thấy rằng nó có khả năng phát sinh qua một số quá trình khác.
Vitale nói: “Bất kể chúng tôi làm gì, chúng tôi không thể dễ dàng tạo ra sự kiện này trong các kênh hình thành phổ biến hơn này.”
Quá trình hợp nhất phân cấp có thể giải thích tốt hơn khối lượng lệch của GW190412 và độ xoáy cao của nó. Nếu một lỗ đen là sản phẩm của sự kết đôi trước đó của hai lỗ đen mẹ có khối lượng tương tự, bản thân nó sẽ lớn hơn một trong hai lỗ đen và sau đó làm lu mờ đáng kể đối tác thế hệ đầu tiên của nó, tạo ra tỷ lệ khối lượng cao trong lần hợp nhất cuối cùng.
Một quá trình phân cấp cũng có thể tạo ra sự hợp nhất với độ xoáy cao: Các lỗ đen mẹ, trong quá trình hợp nhất hỗn loạn của chúng, sẽ quay lên lỗ đen tạo thành, sau đó sẽ đưa vòng quay này vào vụ va chạm cuối cùng của chính nó.
“Bạn làm phép toán, và hóa ra lỗ đen còn sót lại sẽ có một vòng quay rất gần với tổng vòng quay của sự hợp nhất này,” Vitale giải thích.
Không có lối thoát
Nếu GW190412 thực sự hình thành thông qua hợp nhất phân cấp, Vitale nói rằng sự kiện này cũng có thể làm sáng tỏ môi trường mà nó hình thành. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu hai lỗ đen lớn hơn được hình thành từ một vụ va chạm trước đó, thì vụ va chạm đó có khả năng tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ không chỉ tạo ra một lỗ đen mới mà còn đá bay nó qua một khoảng cách.
Vitale chia sẻ tiếp: “Nếu nó bị đá quá mạnh, nó sẽ rời khỏi cụm và đi vào môi trường trống rỗng giữa các vì sao, và không thể hợp nhất lại.
Nếu vật thể có thể hợp nhất lại (trong trường hợp này là tạo ra GW190412), điều đó có nghĩa là cú hích mà nó nhận được không đủ để thoát khỏi cụm sao mà nó hình thành. Nếu GW190412 thực sự là sản phẩm của sự hợp nhất theo thứ bậc, nhóm nghiên cứu đã tính toán rằng nó sẽ xảy ra trong môi trường có tốc độ thoát cao hơn 150 km / giây. Về góc độ, vận tốc thoát của hầu hết các cụm sao cầu là khoảng 50 km / giây.
Điều này có nghĩa là bất kỳ môi trường nào mà GW190412 sinh ra đều có một lực hấp dẫn cực lớn và nhóm nghiên cứu tin rằng một môi trường như vậy có thể là đĩa khí xung quanh một lỗ đen siêu lớn, hoặc một “cụm hạt nhân” – một vùng cực kỳ dày đặc của vũ trụ với hàng chục triệu ngôi sao.
Sự hợp nhất này phải đến từ một nơi khác thường. Khi LIGO và Xử Nữ (Virgo) tiếp tục thực hiện những phát hiện mới, chúng ta có thể sử dụng những khám phá này để tìm hiểu những điều mới về vũ trụ.
Nguồn truyện:
Vật liệu do Viện Công nghệ Massachusetts cung cấp . Bản gốc do Jennifer Chu viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :