Việc phát hiện gần đây về vụ sáp nhập lỗ đen có khối lượng lớn nhất từng được quan sát đã tạo ra những gợn sóng trong cộng đồng khoa học, không chỉ trong không-thời gian mà còn trong những cuộc thảo luận sôi nổi về những gì các vật thể cực đoan này cho chúng ta biết về vũ trụ. Khám phá GW231123 của hợp tác LIGO-Virgo-KAGRA đại diện cho một cột mốc thách thức hiểu biết của chúng ta về cách những lỗ đen có khối lượng lớn như vậy có thể tồn tại.
Giải phóng năng lượng vượt ngoài trí tưởng tượng
Vụ sáp nhập tạo ra lỗ đen nặng 225 lần khối lượng Mặt trời này đã giải phóng một lượng năng lượng gần như không thể hiểu được. Khi hai lỗ đen nặng khoảng 100 và 140 lần khối lượng Mặt trời va chạm, khoảng 15 khối lượng Mặt trời đã chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng. Con số đáng kinh ngạc này đã thu hút sự chú ý của cộng đồng, với các cuộc thảo luận nhấn mạnh trọng lực thực sự yếu như thế nào bất chấp việc giải phóng năng lượng khổng lồ này.
Trọng lực yếu đến mức lượng năng lượng khổng lồ đó chỉ tương đương với độ co tương đối nhỏ hơn 10^-20, hay khoảng bằng độ rộng của một sợi tóc trong khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt trăng.
Sự kiện này xảy ra cách Trái Đất khoảng 2,2 tỷ parsec, khiến việc phát hiện trở nên đáng chú ý hơn nữa khi xét đến những biến dạng nhỏ bé mà LIGO phải đo lường.
Chi tiết sự kiện GW231123
- Khối lượng lỗ đen cuối cùng: 225 khối lượng Mặt Trời
- Khối lượng các thành phần: ~100 và ~140 khối lượng Mặt Trời
- Năng lượng chuyển đổi thành sóng hấp dẫn: ~15 khối lượng Mặt Trời
- Ngày phát hiện: 23 tháng 11, 2023
- Khoảng cách từ Trái Đất: 2.2 Gpc (tỷ parsec)
- Cả hai lỗ đen đều quay gần mức tối đa cho phép theo thuyết tương đối rộng
Quay với tốc độ ở ranh giới vật lý
Điều khiến khám phá này đặc biệt hấp dẫn là cả hai lỗ đen đều quay với tốc độ gần như tối đa được phép theo thuyết tương đối rộng của Einstein . Sự quay cực đoan này tạo ra động lực học phức tạp đẩy các mô hình lý thuyết hiện tại đến giới hạn. Sự quay nhanh cũng làm biến dạng chân trời sự kiện của các lỗ đen từ hình cầu hoàn hảo thành hình dẹt hơn, thêm nhiều lớp phức tạp vào tín hiệu sóng hấp dẫn.
Các cuộc thảo luận trong cộng đồng cho thấy sự say mê với cách những người khổng lồ quay này sáp nhập, với một số người so sánh quá trình này như những giọt nước kết hợp, mặc dù vật lý liên quan phức tạp hơn nhiều. Bản thân quá trình sáp nhập có thể đã tạo ra những biến dạng tạm thời hình quả lạc trước khi ổn định thành dạng cầu cuối cùng.
Bí ẩn hình thành ngày càng sâu sắc
Có lẽ khía cạnh bí ẩn nhất của khám phá này là làm thế nào những lỗ đen có khối lượng lớn như vậy có thể tồn tại. Các mô hình tiêu chuẩn về tiến hóa sao cho rằng những lỗ đen có kích thước này không nên hình thành thông qua sự sụp đổ sao bình thường. Điều này đã khiến các nhà khoa học đề xuất rằng những người khổng lồ này có thể là kết quả của các vụ sáp nhập trước đó giữa các lỗ đen nhỏ hơn, tạo ra một loại quá trình hình thành phân cấp.
Việc phát hiện này bổ sung vào bằng chứng ngày càng tăng rằng hiểu biết của chúng ta về sự hình thành lỗ đen cần được sửa đổi đáng kể, đặc biệt đối với các vật thể trong cái mà các nhà khoa học gọi là khoảng trống khối lượng - những kích thước có vẻ quá lớn để sụp đổ sao nhưng quá nhỏ để hình thành nguyên thủy.
Các cột mốc phát hiện của LIGO
- Phát hiện đầu tiên (2015): lỗ đen cuối cùng có khối lượng 62 lần Mặt trời
- Kỷ lục trước đó ( GW190521 , 2021): lỗ đen cuối cùng có khối lượng 140 lần Mặt trời
- Kỷ lục hiện tại ( GW231123 , 2023): lỗ đen cuối cùng có khối lượng 225 lần Mặt trời
- Tổng số phát hiện từ 2015: ~300 vụ sáp nhập lỗ đen
- Các phát hiện trong đợt quan sát thứ tư: 200+ vụ sáp nhập lỗ đen
Mối lo ngại về ngân sách đe dọa các khám phá tương lai
Trong khi ăn mừng bước đột phá này, cộng đồng đối mặt với sự không chắc chắn về các quan sát trong tương lai. Các đề xuất cắt giảm ngân sách có thể đóng cửa một trong hai đài quan sát của LIGO tại Mỹ, điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng xác định vị trí các sự kiện trong tương lai và giảm độ nhạy phát hiện. Đề xuất ngân sách NSF hiện tại bao gồm việc cắt giảm 23% có thể ảnh hưởng đến nghiên cứu sóng hấp dẫn ngay khi nó đang bước vào giai đoạn hiệu quả nhất.
Mối lo ngại về thời điểm này đặc biệt nghiêm trọng khi xét đến việc LIGO đã phát hiện hơn 200 vụ sáp nhập lỗ đen chỉ trong đợt quan sát hiện tại, với mỗi lần phát hiện đều mang lại những hiểu biết mới về các hiện tượng cực đoan nhất của vũ trụ. Việc mất khả năng phát hiện tiềm năng sẽ là một bước lùi đáng kể cho thiên văn học sóng hấp dẫn tại một thời điểm quan trọng trong sự phát triển của nó.
Tham khảo: LIGO Detects Most Massive Black Hole Merger to Date