Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện một tín hiệu từ những gì có thể là vụ sáp nhập lỗ đen lớn nhất từng được quan sát thấy trong sóng hấp dẫn. Sản phẩm của sự hợp nhất là sự phát hiện rõ ràng đầu tiên về một lỗ đen ‘khối lượng trung bình’, với khối lượng từ 100 đến 1.000 lần mặt trời.
Đối với tất cả sự trống rỗng rộng lớn của nó, vũ trụ đang ồn ào với hoạt động dưới dạng sóng hấp dẫn. Được tạo ra bởi các hiện tượng vật lý thiên văn cực đoan, những âm vang này phát ra và làm rung chuyển cấu trúc không-thời gian, giống như tiếng chuông vũ trụ.
Hiện các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một tín hiệu từ những gì có thể là vụ sáp nhập lỗ đen lớn nhất từng được quan sát thấy trong sóng hấp dẫn. Sản phẩm của sự hợp nhất là phát hiện rõ ràng đầu tiên về một lỗ đen “khối lượng trung bình”, với khối lượng từ 100 đến 1.000 lần mặt trời.
Họ đã phát hiện ra tín hiệu mà họ gắn nhãn GW190521 vào ngày 21 tháng 5 năm 2019 với Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser của Quỹ Khoa học Quốc gia (LIGO), một cặp giao thoa kế giống hệt nhau, dài 4 km ở Hoa Kỳ; và Virgo, một máy dò dài 3 km ở Ý.
Tín hiệu tương tự như khoảng bốn lần lắc ngắn có thời lượng cực kỳ ngắn, kéo dài dưới 1/10 giây. Từ những gì các nhà nghiên cứu có thể cho biết, GW190521 được tạo ra bởi một nguồn cách xa khoảng 5 gigaparsec, khi vũ trụ có tuổi đời bằng một nửa, khiến nó trở thành một trong những nguồn sóng hấp dẫn xa nhất được phát hiện cho đến nay.
Về những gì tạo ra tín hiệu này, dựa trên một bộ công cụ tính toán và mô hình mạnh mẽ hiện đại, các nhà khoa học cho rằng GW190521 rất có thể được tạo ra bởi một vụ sáp nhập lỗ đen nhị phân với các đặc tính bất thường.
Hầu hết mọi tín hiệu sóng hấp dẫn được xác nhận cho đến nay đều là từ sự hợp nhất nhị phân, giữa hai lỗ đen hoặc hai sao neutron. Sự hợp nhất mới nhất này có vẻ là lớn nhất từ trước đến nay, liên quan đến hai lỗ đen truyền cảm hứng với khối lượng khoảng 85 và 66 lần khối lượng của mặt trời.
Nhóm LIGO-Virgo cũng đã đo vòng quay của mỗi lỗ đen và phát hiện ra rằng khi các lỗ đen quay vòng gần nhau hơn, chúng có thể quay quanh trục của chính chúng, ở những góc lệch với trục quỹ đạo của chúng. Các vòng quay bị lệch của các lỗ đen có thể khiến quỹ đạo của chúng bị chao đảo, hay còn gọi là “precess”, khi hai Goliath xoắn ốc về phía nhau.
Tín hiệu mới có khả năng đại diện cho thời điểm hai lỗ đen hợp nhất. Sự hợp nhất đã tạo ra một lỗ đen thậm chí còn khổng lồ hơn, bằng khoảng 142 lần khối lượng Mặt trời, và giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, tương đương với khoảng 8 lần khối lượng Mặt trời, lan truyền khắp vũ trụ dưới dạng sóng hấp dẫn.
Thành viên Nelson Christensen, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS), cho biết: “Điều này trông không giống một tiếng kêu, đó là những gì chúng tôi thường phát hiện được vào năm 2015. Điều này giống như một cái gì đó” nổ “, và đó là tín hiệu lớn nhất mà LIGO và Xử Nữ đã thấy.”
Nhóm các nhà khoa học quốc tế, những người tạo nên Hợp tác Khoa học LIGO (LSC) và Hợp tác Xử Nữ (Virgo) đã báo cáo phát hiện của họ trong hai bài báo được xuất bản ngày hôm nay. Một, xuất hiện trong Thư đánh giá vật lý, trình bày chi tiết về khám phá, và một, trong Tạp chí Vật lý thiên văn (The Astrophysical Journal Letters), thảo luận về các đặc tính vật lý của tín hiệu và ý nghĩa vật lý thiên văn.
Pedro Marronetti, giám đốc chương trình vật lý hấp dẫn tại National Science, cho biết: “LIGO một lần nữa khiến chúng ta ngạc nhiên không chỉ với việc phát hiện ra các lỗ đen với kích thước khó giải thích mà còn thực hiện nó bằng các kỹ thuật không được thiết kế đặc biệt cho sự hợp nhất của các ngôi sao. Điều này có tầm quan trọng to lớn vì nó cho thấy khả năng phát hiện tín hiệu của thiết bị từ các sự kiện vật lý thiên văn hoàn toàn không lường trước được. LIGO cho thấy rằng nó cũng có thể quan sát những điều bất ngờ.”
Trong khoảng cách khối lượng
Khối lượng lớn độc đáo của hai lỗ đen truyền cảm hứng, cũng như lỗ đen cuối cùng, đặt ra một loạt câu hỏi liên quan đến sự hình thành của chúng.
Tất cả các lỗ đen được quan sát cho đến nay đều nằm trong một trong hai loại: lỗ đen khối lượng sao, có kích thước từ một vài khối lượng Mặt Trời cho đến hàng chục lần khối lượng Mặt Trời và được cho là hình thành khi các ngôi sao lớn chết đi; hoặc các lỗ đen siêu lớn, chẳng hạn như lỗ đen ở trung tâm của dải Ngân hà, có kích thước từ hàng trăm nghìn đến hàng tỷ lần so với mặt trời của chúng ta.
Tuy nhiên, lỗ đen cuối cùng có khối lượng bằng 142 mặt trời được tạo ra bởi sự hợp nhất GW190521 nằm trong phạm vi khối lượng trung gian giữa lỗ đen có khối lượng sao và siêu lớn – lỗ đầu tiên thuộc loại này từng được phát hiện.
Hai lỗ đen tiền thân tạo ra lỗ đen cuối cùng dường như cũng có kích thước khác nhau. Chúng khổng lồ đến mức các nhà khoa học nghi ngờ một hoặc cả hai có thể không hình thành từ một ngôi sao đang sụp đổ, như hầu hết các lỗ đen có khối lượng sao.
Theo vật lý học về sự tiến hóa của sao, áp suất bên ngoài từ các photon và khí trong lõi của một ngôi sao hỗ trợ nó chống lại lực hấp dẫn đẩy vào bên trong, để ngôi sao ổn định, giống như mặt trời. Sau khi lõi của một ngôi sao lớn hợp nhất các hạt nhân nặng như sắt, nó không còn có thể tạo ra đủ áp lực để hỗ trợ các lớp bên ngoài. Khi áp suất bên ngoài này nhỏ hơn trọng lực, ngôi sao sẽ sụp đổ dưới trọng lượng của chính nó, trong một vụ nổ được gọi là siêu tân tinh sụp đổ lõi, có thể để lại một lỗ đen.
Quá trình này có thể giải thích làm thế nào mà những ngôi sao có khối lượng bằng 130 lần khối lượng Mặt Trời lại có thể tạo ra các lỗ đen có khối lượng bằng 65 lần khối lượng Mặt Trời. Nhưng đối với những ngôi sao nặng hơn, một hiện tượng được gọi là “sự không ổn định của cặp” được cho là bắt đầu. Khi các photon của lõi trở nên cực kỳ năng lượng, chúng có thể biến đổi thành một cặp electron và phản điện tử. Các cặp này tạo ra áp suất nhỏ hơn photon, khiến ngôi sao trở nên không ổn định trước sự sụp đổ của lực hấp dẫn, và kết quả là vụ nổ đủ mạnh để không để lại gì. Những ngôi sao thậm chí có khối lượng lớn hơn, trên 200 lần khối lượng Mặt trời, cuối cùng sẽ sụp đổ trực tiếp thành một lỗ đen có khối lượng ít nhất 120 lần khối lượng Mặt trời. Do đó, một ngôi sao đang sụp đổ sẽ không thể tạo ra một lỗ đen có khối lượng từ khoảng 65 đến 120 lần khối lượng Mặt Trời – một phạm vi được gọi là “khoảng cách khối lượng không ổn định cặp.
Nhưng giờ đây, lỗ đen nặng hơn tạo ra tín hiệu GW190521, với khối lượng bằng 85 lần khối lượng Mặt Trời, là lỗ đầu tiên được phát hiện trong khoảng cách khối lượng không ổn định cặp.
Christensen, giám đốc Phòng thí nghiệm Artemis tại Đài quan sát Nice ở Pháp.
Một khả năng mà các nhà nghiên cứu xem xét trong bài báo thứ hai, là sự hợp nhất có thứ bậc, trong đó bản thân hai lỗ đen tiền thân có thể đã hình thành từ sự hợp nhất của hai lỗ đen nhỏ hơn, trước khi di chuyển cùng nhau và cuối cùng hợp nhất.
“Sự kiện này mở ra nhiều câu hỏi hơn là cung cấp câu trả lời,” thành viên Alan Weinstein của LIGO, giáo sư vật lý tại Caltech nói. “Từ quan điểm của khám phá và vật lý, đó là một điều rất thú vị.”
“Một cái gì đó bất ngờ”
Có rất nhiều câu hỏi còn lại liên quan đến GW190521.
Khi các máy dò LIGO và Virgo lắng nghe các sóng hấp dẫn truyền qua Trái đất, các tìm kiếm tự động sẽ kết hợp dữ liệu đến để tìm ra các tín hiệu thú vị. Các tìm kiếm này có thể sử dụng hai phương pháp khác nhau: các thuật toán chọn ra các mẫu sóng cụ thể trong dữ liệu có thể được tạo ra bởi các hệ thống nhị phân nhỏ gọn; và các tìm kiếm “bùng nổ” tổng quát hơn, về cơ bản là tìm kiếm bất kỳ điều gì khác thường.
Salvatore Vitale, thành viên của LIGO, trợ lý giáo sư vật lý tại MIT, ví các tìm kiếm nhị phân nhỏ gọn là “chuyển một cái lược qua dữ liệu, sẽ bắt được mọi thứ trong một khoảng cách nhất định”, trái ngược với các tìm kiếm liên tục thiên về phương pháp “bắt tất cả”.
Trong trường hợp của GW190521, đó là một tìm kiếm liên tục thu được tín hiệu rõ ràng hơn một chút, mở ra cơ hội rất nhỏ là sóng hấp dẫn phát sinh từ thứ gì đó không phải là sự hợp nhất nhị phân.
Weinstein nói: “Thanh để khẳng định rằng chúng tôi đã phát hiện ra điều gì đó mới là rất cao. “Vì vậy, chúng tôi thường áp dụng dao cạo của Occam: Giải pháp đơn giản hơn là tốt hơn, trong trường hợp này là một lỗ đen nhị phân.”
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu một cái gì đó hoàn toàn mới tạo ra những sóng hấp dẫn này? Đó là một viễn cảnh đầy trêu ngươi, và trong bài báo của họ, các nhà khoa học xem xét ngắn gọn các nguồn khác trong vũ trụ có thể đã tạo ra tín hiệu mà họ phát hiện được. Ví dụ, có lẽ sóng hấp dẫn được phát ra bởi một ngôi sao đang sụp đổ trong thiên hà của chúng ta. Tín hiệu cũng có thể là từ một chuỗi vũ trụ được tạo ra ngay sau khi vũ trụ thổi phồng trong những khoảnh khắc đầu tiên của nó – mặc dù cả hai khả năng kỳ lạ này đều không khớp với dữ liệu cũng như sự hợp nhất nhị phân.
Weinstein nói: “Kể từ lần đầu tiên chúng tôi bật LIGO, mọi thứ chúng tôi quan sát được với sự tự tin đều là sự va chạm của lỗ đen hoặc sao neutron,” Weinstein nói “Đây là sự kiện duy nhất mà phân tích của chúng tôi cho phép khả năng sự kiện này không phải là một vụ va chạm như vậy. Mặc dù sự kiện này phù hợp với việc xảy ra từ một vụ sáp nhập lỗ đen nhị phân đặc biệt lớn và các giải thích thay thế bị phản đối, nhưng nó đang đẩy ranh giới của sự tự tin của chúng ta. Và điều đó có khả năng khiến nó trở nên cực kỳ thú vị. Bởi vì tất cả chúng ta đều hy vọng vào một cái gì đó mới, một cái gì đó bất ngờ, điều đó có thể thách thức những gì chúng tôi đã học được. Sự kiện này có tiềm năng để làm điều đó. “
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.
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.
Đa phương tiện liên quan :
Tài liệu tham khảo Tạp chí :