Việc phát hiện gần đây các sóng hấp dẫn từ một vụ sáp nhập lỗ đen đã gây chấn động cộng đồng khoa học, không chỉ vì kích thước kỷ lục của nó, mà còn vì thách thức hiểu biết cơ bản của chúng ta về cách những gã khổng lồ vũ trụ như vậy có thể tồn tại. Vụ sáp nhập được ký hiệu là GW231123 đã tạo ra một lỗ đen cuối cùng có khối lượng khoảng 225 lần khối lượng Mặt Trời—một kích thước mà các mô hình tiến hóa sao hiện tại cho rằng không thể có được thông qua các quá trình hình thành sao thông thường.
Thông số kỹ thuật của vụ sáp nhập:
- Tên sự kiện: GW231123 (phát hiện ngày 23 tháng 11 năm 2023)
- Khối lượng lỗ đen cuối cùng: ~225 khối lượng Mặt Trời
- Khối lượng lỗ đen ban đầu: 137 và 103 khối lượng Mặt Trời
- Khối lượng chuyển đổi thành năng lượng: ~15 khối lượng Mặt Trời
- Thời gian giải phóng năng lượng: 0,1 giây
- Kỷ lục trước đó: GW190521 (~140 khối lượng Mặt Trời)
Bí Ẩn Khoảng Trống Khối Lượng
Cộng đồng khoa học đang vật lộn với cái mà các nhà nghiên cứu gọi là vấn đề khoảng trống khối lượng. Các lý thuyết hiện tại dự đoán rằng các lỗ đen được hình thành từ sự sụp đổ của sao nên có khối lượng nhỏ hơn hoặc lớn hơn nhiều so với 225 khối lượng Mặt Trời đã quan sát được. Điều này đặt vụ sáp nhập mới phát hiện vào đúng một vùng cấm địa nơi lý thuyết cho rằng các lỗ đen không nên tồn tại. Hai lỗ đen ban đầu, nặng lần lượt 137 và 103 khối lượng Mặt Trời, đều riêng lẻ gây vấn đề cho các mô hình hình thành hiện có.
Vấn đề bắt nguồn từ cách chúng ta hiểu về cái chết của sao và sự ra đời của lỗ đen. Những ngôi sao có khối lượng lớn nhất được biết đến có thể tồn tại hầu như không thể đạt được những khối lượng này, và chúng cực kỳ hiếm với tuổi thọ rất ngắn. Sự hiếm hoi này khiến xác suất hai lỗ đen có khối lượng lớn như vậy hình thành đủ gần để cuối cùng sáp nhập trở nên vô cùng nhỏ theo các mô hình hiện tại.
Thách thức Lý thuyết:
- Vấn đề khoảng cách khối lượng: 225 khối lượng mặt trời rơi vào vùng cấm về mặt lý thuyết
- Giới hạn hình thành sao: Những ngôi sao có khối lượng lớn nhất được biết đến hiếm khi đạt được những khối lượng này
- Các lý thuyết hình thành đang được xem xét lại: Kịch bản sụp đổ sao trực tiếp so với kịch bản nhiều lần hợp nhất
- Các giải thích thay thế: Lỗ đen nguyên thủy, sao quần thể III, hoặc các cơ chế hình thành chưa được biết đến
Góc Nhìn Cộng Đồng Về Các Con Đường Hình Thành
Cuộc thảo luận khoa học đã tập trung xung quanh một số lời giải thích có thể cho hiện tượng bất thường này. Một lý thuyết hàng đầu cho rằng đây có thể là các lỗ đen thế hệ thứ hai hoặc thứ ba—được hình thành từ các vụ sáp nhập trước đó của những lỗ đen nhỏ hơn thay vì sự sụp đổ trực tiếp của sao. Tuy nhiên, lời giải thích này mang theo những thách thức riêng, vì nó đòi hỏi nhiều sự kiện sáp nhập không chắc chắn xảy ra trong khoảng cách tương đối gần nhau.
Một khả năng hấp dẫn khác liên quan đến các lỗ đen nguyên thủy—những vật thể lý thuyết được hình thành trong vũ trụ sơ khai từ các dao động mật độ thay vì sự sụp đổ của sao. Những lỗ đen cổ xưa này có thể có phân bố khối lượng khác so với những người anh em được sinh ra từ sao, có thể giải thích những kích thước bất ngờ đã quan sát được.
Vật Lý Của Các Vụ Sáp Nhập Lỗ Đen
Bản thân quá trình sáp nhập đã khơi dậy những cuộc thảo luận hấp dẫn về bản chất của không gian và thời gian. Trong những khoảnh khắc cuối cùng của va chạm, năng lượng tương đương khoảng 15 khối lượng Mặt Trời đã được chuyển đổi thành sóng hấp dẫn chỉ trong một phần mười giây. Việc giải phóng năng lượng đáng kinh ngạc này chứng minh vật lý cực đoan đang diễn ra khi những vật thể có khối lượng lớn như vậy xoắn ốc vào nhau.
Các mô hình bị ràng buộc bởi những gì được biết tại thời điểm chúng được xây dựng - những mô hình xung đột với các quan sát hiện có sẽ bị loại bỏ trong khi những mô hình không xung đột sẽ được công bố.
Việc phát hiện này cũng đặt ra câu hỏi về các phương pháp quan sát và khung lý thuyết của chúng ta. Mỗi lần phát hiện sóng hấp dẫn mới dường như đều thách thức các mô hình hiện có, cho thấy rằng hiểu biết của chúng ta về sự hình thành và tiến hóa lỗ đen có thể cần được sửa đổi đáng kể.
Khả năng phát hiện:
- Thiết bị phát hiện chính: LIGO ( Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory )
- Hợp tác quốc tế: LIGO , Virgo ( Italy ), và KAGRA ( Japan )
- Lần phát hiện sóng hấp dẫn đầu tiên: 2015
- Phương pháp phát hiện: Giao thoa kế sóng hấp dẫn
- Tốc độ truyền tín hiệu: Tốc độ ánh sáng
 |
|---|
| Khung cảnh tuyệt đẹp của các tinh vân Trifid và Lagoon , tượng trưng cho vẻ đẹp và sự phức tạp của vũ trụ |
Ý Nghĩa Đối Với Vũ Trụ Học
Khám phá này có ý nghĩa rộng lớn hơn chỉ là vật lý lỗ đen. Nếu những vụ sáp nhập có khối lượng lớn như vậy phổ biến hơn so với suy nghĩ trước đây, nó có thể ảnh hưởng đến hiểu biết của chúng ta về sự hình thành thiên hà, phân bố vật chất tối, và cấu trúc tổng thể của vũ trụ. Sự tồn tại của những lỗ đen khối lượng trung gian này lấp đầy một khoảng trống trong kho tàng vũ trụ của chúng ta và có thể giúp giải thích cách các lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà phát triển lớn như vậy một cách nhanh chóng trong vũ trụ sơ khai.
Cuộc tranh luận đang diễn ra làm nổi bật cách thiên văn học sóng hấp dẫn tiếp tục cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Khi các phương pháp phát hiện được cải thiện và nhiều sự kiện hơn được quan sát, chúng ta có thể cần suy nghĩ lại một cách cơ bản về các mô hình tiến hóa sao và hình thành lỗ đen. Vũ trụ, có vẻ như, phức tạp và đầy bất ngờ hơn nhiều so với những gì ngay cả các lý thuyết tinh vi nhất của chúng ta đã dự đoán.
Tham khảo: Astronomers Detect a Black Hole Merger That's So Massive It Shouldn't Exist
 |
|---|
| Cận cảnh một miệng núi lửa trên sao Hỏa, đại diện cho việc khám phá các hiện tượng vũ trụ và những bí ẩn của vũ trụ |