Bằng cách quan sát những gợn sóng nhỏ trong không thời gian được gọi là "sóng hấp dẫn" lan truyền ra xa các lỗ đen đang va chạm, các nhà khoa học có thể phát hiện ra những bất đối xứng ẩn giấu trong vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu mới về chủ đề này cho rằng việc đo lường xem sóng hấp dẫn từ các vụ sáp nhập lỗ đen là thuận hay nghịch có thể cho chúng ta biết Nguyên lý vũ trụ học — một trụ cột tuyệt đối của thiên văn học — có đúng không.
Nguyên lý vũ trụ học nêu rằng khi vũ trụ được nhìn nhận ở quy mô rộng lớn, nó phải được tạo thành từ cùng một thứ theo mọi hướng. Nói cách khác, vũ trụ phải có vẻ "đẳng hướng và đồng nhất". Điều đó có nghĩa là vũ trụ không nên thể hiện sự ưu tiên cho những thứ quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Vũ trụ phải có sự đối xứng gương, bao gồm cả sóng hấp dẫn phát ra từ các vụ sáp nhập lỗ đen.
Hiện nay, một nhóm các nhà khoa học đã đo được các gợn sóng trong không thời gian khi chúng trào ra ngoài từ các vụ sáp nhập lỗ đen, điều này có thể tương quan với hướng mà các lỗ đen con giật lùi khỏi các "cú đá" được thực hiện trong các sự kiện này.
"Các phương trình của Einstein về lực hấp dẫn, chi phối hành vi trên quy mô lớn của vũ trụ, cho phép một nguồn hấp dẫn theo chiều trái [và phải] cho mỗi chiều ngược lại", Adrian del Rio, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đại học Carlos III ở Madrid, cho biết trong tuyên bố. "Tuy nhiên, các phương trình này không yêu cầu sự tồn tại của cả hai loại nguồn có cùng tỷ lệ trong vũ trụ của chúng ta. Công trình của chúng tôi cho phép chúng tôi kiểm tra xem lực hấp dẫn hay vũ trụ của chúng ta có cơ chế 'ẩn' nào để tạo ra sự bất đối xứng hay không."
"Trong bóng đá, có hai cách chính để đá bóng bằng phần trong hoặc phần ngoài của bàn chân", Bustillo cho biết trong tuyên bố. "Đầu tiên sẽ khiến quả bóng quay ngược chiều kim đồng hồ; hãy nghĩ đến những cú đá phạt nổi tiếng của David Beckham, trong khi ngược lại sẽ tạo ra vòng quay ngược lại. Hãy nghĩ đến Modric hoặc siêu sao trẻ Lamine Yamal, người thành thạo động tác này."
Bustillo nói thêm rằng hầu hết các cú sút, tạt bóng và chuyền bóng đều được thực hiện bằng mặt trong của bàn chân, vì điều này giúp kiểm soát bóng dễ dàng hơn đáng kể. Nói cách khác, bóng đá không có tính đối xứng gương; có một hướng ngược chiều kim đồng hồ được ưa chuộng trong trò chơi.
"Điều này tạo ra sự bất đối xứng giữa hai loại vòng quay, khiến bóng đá trở thành 'bất đối xứng gương'", Bustillo nói. "Nếu các giả định tiêu chuẩn của chúng ta về vũ trụ và lực hấp dẫn là đúng, thì điều này sẽ không xảy ra với các sóng phát ra từ các vụ sáp nhập lỗ đen trong vũ trụ."
Ngoài ra, lỗ đen con được tạo ra trong vụ sáp nhập cũng có spin, và giống như quả bóng đá được đá, spin này có thể là spin bên phải hoặc bên trái tùy theo hướng chuyển động của nó. Nghiên cứu riêng biệt chỉ ra rằng, giống như một quả bóng đá được đá, hướng mà sóng hấp dẫn được định hướng có liên quan đến hướng của "cú đá" mà lỗ đen con được tạo ra từ sự hợp nhất nhận được.
Nếu lỗ đen noi gương cầu thủ chạy cánh huyền thoại của Manchester United, David Beckham và "uốn cong như Beckham", nếu bạn muốn, các lý thuyết của chúng ta về vũ trụ sẽ bị ảnh hưởng đáng kể.
Tuy nhiên, Einstein đã đi xa hơn. Ông cũng gợi ý rằng các vật thể tăng tốc tạo nên cấu trúc của không thời gian "rung rinh" với "bức xạ hấp dẫn" hoặc sóng hấp dẫn. Mặc dù các sự kiện tầm thường như xe đạp tăng tốc quá nhỏ để tạo ra sóng hấp dẫn, nhưng các sự kiện vũ trụ dữ dội như siêu tân tinh và hợp nhất lỗ đen thì có. Trên thực tế, ngay cả Vụ nổ lớn tạo ra vũ trụ cũng vậy.
Einstein tin rằng bức xạ này quá yếu để có thể phát hiện được ở đây trên Trái đất.
Tuy nhiên, kể từ năm 2015, Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) và các đài quan sát sóng hấp dẫn Virgo đã chứng minh nhà vật lý vĩ đại này đã sai khi thực sự phát hiện ra các gợn sóng trong không thời gian bắt nguồn từ các sự kiện mạnh mẽ như va chạm và hợp nhất của các lỗ đen siêu lớn và sao neutron.
Cân nhắc đến sóng hấp dẫn có thể được gọi là bức xạ hấp dẫn, bạn có thể tự hỏi liệu chúng có điểm tương đồng nào với ánh sáng hay chính xác hơn là bức xạ điện từ không.
Sóng là cốt lõi của cả hai loại bức xạ và chúng có các đặc tính như bước sóng, khoảng cách giữa hai đỉnh trong một sóng và tần số, số đỉnh đi qua một điểm đặt trong một đơn vị thời gian đặt. Vì vậy, cũng giống như có toàn bộ quang phổ điện từ bao gồm bức xạ điện từ có các bước sóng và tần số khác nhau, thì cũng có quang phổ sóng hấp dẫn.
Hơn nữa, giống như sóng điện từ, sóng hấp dẫn có thể có phân cực. Phân cực đề cập đến hướng mà sóng được định hướng khi nó lan truyền. Phân cực sóng hấp dẫn có thể theo chiều phải hoặc chiều trái, nghĩa là sóng có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ so với hướng truyền của nó.
Khi các lỗ đen va chạm và hợp nhất, chúng có thể tạo ra lượng sóng hấp dẫn dư thừa với một phân cực, do đó phá vỡ tính đối xứng của gương.
Tuy nhiên, khi những sự dư thừa này được xem xét hàng loạt, nếu Nguyên lý vũ trụ học là đúng và tính đối xứng gương có mặt ở khắp vũ trụ, thì những sự dư thừa này sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Phải có một lượng sóng thuận tay trái và sóng thuận tay phải bằng nhau.
Tuy nhiên, nếu, giống như trong bóng đá, các vụ sáp nhập lỗ đen có sự bất đối xứng gương có thể gợi ý rằng Nguyên lý vũ trụ học không đúng, và nếu đúng như vậy, thì ai biết được những lý thuyết nào khác dựa trên nguyên lý này là sai?
Dữ liệu do LIGO và Virgo thu thập chứng minh rằng sóng hấp dẫn thực sự triệt tiêu tính thuận tay dư thừa, không cho thấy sự ưu tiên về hướng. Nhưng Nguyên lý vũ trụ học có thể vẫn chưa an toàn. Chắc chắn là tỷ số đã là 1-0 sau hiệp một, nhưng trọng tài vẫn chưa thổi còi kết thúc trận đấu.
"Tuy nhiên, số liệu thống kê còn rất hạn chế, do đó vẫn còn nhiều điều không chắc chắn", thành viên nhóm Nicolas Sanchis-Gual đến từ Đại học Valencia cho biết trong tuyên bố. "Trận bóng đá vũ trụ này còn lâu mới kết thúc."
Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một vụ sáp nhập lỗ đen riêng lẻ phá vỡ tính đối xứng gương. Sự kiện này có liên quan đến tín hiệu sóng hấp dẫn được chỉ định là GW200129. Đây không phải là điều bất ngờ lớn vì từ lâu người ta vẫn coi đây là một vụ sáp nhập kỳ lạ, mất cân bằng và không đồng đều. Nhóm nghiên cứu cho rằng 82% các vụ sáp nhập lỗ đen mà họ quan sát được phải cho thấy sóng hấp dẫn thuận tay trái hoặc thuận tay phải, mặc dù họ không thể xác định được các hệ thống này.
"Việc GW200129 phá vỡ tính đối xứng gương là điều khá tự nhiên, vì hệ thống này được biết là có mặt phẳng quỹ đạo dao động tiến động", Koustav Chandra, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà khoa học tại Đại học Penn State, cho biết trong tuyên bố. "Tuy nhiên, kết quả của chúng tôi chỉ ra rằng rất nhiều vụ sáp nhập cũng phá vỡ nó, cho thấy rằng chúng cũng có thể có các mặt phẳng quỹ đạo tiến động.
"Những kết quả bất ngờ này có thể có những hàm ý sâu rộng, vì tiến động là dấu hiệu của sự hình thành phân cấp của các lỗ đen."
Các câu chuyện liên quan:
— Các lỗ đen va chạm 'vòng tròn' trên không thời gian với các gợn sóng hấp dẫn
— Sóng hấp dẫn cung cấp một 'xét nghiệm DNA vũ trụ' cho các lỗ đen
— 2 lỗ đen siêu lớn hợp nhất được phát hiện vào 'trưa vũ trụ' trong vũ trụ sơ khai
Một lĩnh vực vật lý mà kết quả của nhóm nghiên cứu có thể có ảnh hưởng liên quan đến sự thống nhất của thuyết tương đối rộng và lượng tử vật lý.
Trong khi thuyết tương đối rộng là mô tả tốt nhất mà chúng ta có về lực hấp dẫn và vũ trụ ở quy mô lớn, vật lý lượng tử là mô tả tốt nhất mà nhân loại có về vũ trụ hạ nguyên tử. Tuy nhiên, mặc dù cả hai lý thuyết đều mạnh mẽ, chúng không thống nhất. Nguyên nhân chủ yếu là vì không có "lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn" nào được xác nhận.
Nghiên cứu này có thể giúp ích về mặt đó và cũng có thể tiết lộ lý do tại sao ước tính về tốc độ vũ trụ giãn nở có thể thay đổi rất nhiều, một vấn đề được gọi là "sức căng Hubble".
"Trong một nghiên cứu trước đây, chúng tôi đã chứng minh rằng các vụ sáp nhập không đối xứng gương có thể tạo ra sự phát xạ ròng các photon phân cực từ chân không lượng tử thông qua một quá trình tương tự như bức xạ Hawking", del Rio cho biết. "Nghiên cứu của chúng tôi đã xác định được nguồn khả thi đầu tiên — GW200129 — có thể tạo ra hiệu ứng này."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 23 tháng 1 trên tạp chí Physical Review Letters.
Nhóm nghiên cứu mới về chủ đề này cho rằng việc đo lường xem sóng hấp dẫn từ các vụ sáp nhập lỗ đen là thuận hay nghịch có thể cho chúng ta biết Nguyên lý vũ trụ học — một trụ cột tuyệt đối của thiên văn học — có đúng không.
Nguyên lý vũ trụ học nêu rằng khi vũ trụ được nhìn nhận ở quy mô rộng lớn, nó phải được tạo thành từ cùng một thứ theo mọi hướng. Nói cách khác, vũ trụ phải có vẻ "đẳng hướng và đồng nhất". Điều đó có nghĩa là vũ trụ không nên thể hiện sự ưu tiên cho những thứ quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Vũ trụ phải có sự đối xứng gương, bao gồm cả sóng hấp dẫn phát ra từ các vụ sáp nhập lỗ đen.
Hiện nay, một nhóm các nhà khoa học đã đo được các gợn sóng trong không thời gian khi chúng trào ra ngoài từ các vụ sáp nhập lỗ đen, điều này có thể tương quan với hướng mà các lỗ đen con giật lùi khỏi các "cú đá" được thực hiện trong các sự kiện này.
"Các phương trình của Einstein về lực hấp dẫn, chi phối hành vi trên quy mô lớn của vũ trụ, cho phép một nguồn hấp dẫn theo chiều trái [và phải] cho mỗi chiều ngược lại", Adrian del Rio, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đại học Carlos III ở Madrid, cho biết trong tuyên bố. "Tuy nhiên, các phương trình này không yêu cầu sự tồn tại của cả hai loại nguồn có cùng tỷ lệ trong vũ trụ của chúng ta. Công trình của chúng tôi cho phép chúng tôi kiểm tra xem lực hấp dẫn hay vũ trụ của chúng ta có cơ chế 'ẩn' nào để tạo ra sự bất đối xứng hay không."
Ghi bàn thắng và phát triển lỗ đen
Nếu tất cả những điều này nghe có vẻ cực kỳ phức tạp, thì trưởng nhóm Juan Calderón Bustillo của Đại học Santiago de Compostela và các đồng nghiệp của ông có một phép so sánh dễ hiểu."Trong bóng đá, có hai cách chính để đá bóng bằng phần trong hoặc phần ngoài của bàn chân", Bustillo cho biết trong tuyên bố. "Đầu tiên sẽ khiến quả bóng quay ngược chiều kim đồng hồ; hãy nghĩ đến những cú đá phạt nổi tiếng của David Beckham, trong khi ngược lại sẽ tạo ra vòng quay ngược lại. Hãy nghĩ đến Modric hoặc siêu sao trẻ Lamine Yamal, người thành thạo động tác này."
Bustillo nói thêm rằng hầu hết các cú sút, tạt bóng và chuyền bóng đều được thực hiện bằng mặt trong của bàn chân, vì điều này giúp kiểm soát bóng dễ dàng hơn đáng kể. Nói cách khác, bóng đá không có tính đối xứng gương; có một hướng ngược chiều kim đồng hồ được ưa chuộng trong trò chơi.
"Điều này tạo ra sự bất đối xứng giữa hai loại vòng quay, khiến bóng đá trở thành 'bất đối xứng gương'", Bustillo nói. "Nếu các giả định tiêu chuẩn của chúng ta về vũ trụ và lực hấp dẫn là đúng, thì điều này sẽ không xảy ra với các sóng phát ra từ các vụ sáp nhập lỗ đen trong vũ trụ."
Ngoài ra, lỗ đen con được tạo ra trong vụ sáp nhập cũng có spin, và giống như quả bóng đá được đá, spin này có thể là spin bên phải hoặc bên trái tùy theo hướng chuyển động của nó. Nghiên cứu riêng biệt chỉ ra rằng, giống như một quả bóng đá được đá, hướng mà sóng hấp dẫn được định hướng có liên quan đến hướng của "cú đá" mà lỗ đen con được tạo ra từ sự hợp nhất nhận được.
Nếu lỗ đen noi gương cầu thủ chạy cánh huyền thoại của Manchester United, David Beckham và "uốn cong như Beckham", nếu bạn muốn, các lý thuyết của chúng ta về vũ trụ sẽ bị ảnh hưởng đáng kể.
Sóng hấp dẫn giúp ích
Nguồn gốc của sóng hấp dẫn có từ năm 1915 và Thuyết về lực hấp dẫn vĩ đại của Albert Einstein. Được gọi là thuyết tương đối rộng, thuyết này đã đảo ngược tình thế vật lý khi cho rằng lực hấp dẫn phát sinh từ độ cong của không thời gian do các vật thể có khối lượng tạo ra.Tuy nhiên, Einstein đã đi xa hơn. Ông cũng gợi ý rằng các vật thể tăng tốc tạo nên cấu trúc của không thời gian "rung rinh" với "bức xạ hấp dẫn" hoặc sóng hấp dẫn. Mặc dù các sự kiện tầm thường như xe đạp tăng tốc quá nhỏ để tạo ra sóng hấp dẫn, nhưng các sự kiện vũ trụ dữ dội như siêu tân tinh và hợp nhất lỗ đen thì có. Trên thực tế, ngay cả Vụ nổ lớn tạo ra vũ trụ cũng vậy.
Einstein tin rằng bức xạ này quá yếu để có thể phát hiện được ở đây trên Trái đất.
Tuy nhiên, kể từ năm 2015, Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) và các đài quan sát sóng hấp dẫn Virgo đã chứng minh nhà vật lý vĩ đại này đã sai khi thực sự phát hiện ra các gợn sóng trong không thời gian bắt nguồn từ các sự kiện mạnh mẽ như va chạm và hợp nhất của các lỗ đen siêu lớn và sao neutron.
Cân nhắc đến sóng hấp dẫn có thể được gọi là bức xạ hấp dẫn, bạn có thể tự hỏi liệu chúng có điểm tương đồng nào với ánh sáng hay chính xác hơn là bức xạ điện từ không.
Sóng là cốt lõi của cả hai loại bức xạ và chúng có các đặc tính như bước sóng, khoảng cách giữa hai đỉnh trong một sóng và tần số, số đỉnh đi qua một điểm đặt trong một đơn vị thời gian đặt. Vì vậy, cũng giống như có toàn bộ quang phổ điện từ bao gồm bức xạ điện từ có các bước sóng và tần số khác nhau, thì cũng có quang phổ sóng hấp dẫn.
Hơn nữa, giống như sóng điện từ, sóng hấp dẫn có thể có phân cực. Phân cực đề cập đến hướng mà sóng được định hướng khi nó lan truyền. Phân cực sóng hấp dẫn có thể theo chiều phải hoặc chiều trái, nghĩa là sóng có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ so với hướng truyền của nó.
Khi các lỗ đen va chạm và hợp nhất, chúng có thể tạo ra lượng sóng hấp dẫn dư thừa với một phân cực, do đó phá vỡ tính đối xứng của gương.
Tuy nhiên, khi những sự dư thừa này được xem xét hàng loạt, nếu Nguyên lý vũ trụ học là đúng và tính đối xứng gương có mặt ở khắp vũ trụ, thì những sự dư thừa này sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Phải có một lượng sóng thuận tay trái và sóng thuận tay phải bằng nhau.
Tuy nhiên, nếu, giống như trong bóng đá, các vụ sáp nhập lỗ đen có sự bất đối xứng gương có thể gợi ý rằng Nguyên lý vũ trụ học không đúng, và nếu đúng như vậy, thì ai biết được những lý thuyết nào khác dựa trên nguyên lý này là sai?
Gương Gương
Để kiểm tra xem sóng hấp dẫn từ các vụ sáp nhập lỗ đen có chứng minh được tính thuận tay phá vỡ tính đối xứng gương hay không, Bustillo và các đồng nghiệp đã đo độ phân cực của sóng hấp dẫn phát ra từ 47 vụ sáp nhập lỗ đen.Dữ liệu do LIGO và Virgo thu thập chứng minh rằng sóng hấp dẫn thực sự triệt tiêu tính thuận tay dư thừa, không cho thấy sự ưu tiên về hướng. Nhưng Nguyên lý vũ trụ học có thể vẫn chưa an toàn. Chắc chắn là tỷ số đã là 1-0 sau hiệp một, nhưng trọng tài vẫn chưa thổi còi kết thúc trận đấu.
"Tuy nhiên, số liệu thống kê còn rất hạn chế, do đó vẫn còn nhiều điều không chắc chắn", thành viên nhóm Nicolas Sanchis-Gual đến từ Đại học Valencia cho biết trong tuyên bố. "Trận bóng đá vũ trụ này còn lâu mới kết thúc."
Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một vụ sáp nhập lỗ đen riêng lẻ phá vỡ tính đối xứng gương. Sự kiện này có liên quan đến tín hiệu sóng hấp dẫn được chỉ định là GW200129. Đây không phải là điều bất ngờ lớn vì từ lâu người ta vẫn coi đây là một vụ sáp nhập kỳ lạ, mất cân bằng và không đồng đều. Nhóm nghiên cứu cho rằng 82% các vụ sáp nhập lỗ đen mà họ quan sát được phải cho thấy sóng hấp dẫn thuận tay trái hoặc thuận tay phải, mặc dù họ không thể xác định được các hệ thống này.
"Việc GW200129 phá vỡ tính đối xứng gương là điều khá tự nhiên, vì hệ thống này được biết là có mặt phẳng quỹ đạo dao động tiến động", Koustav Chandra, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà khoa học tại Đại học Penn State, cho biết trong tuyên bố. "Tuy nhiên, kết quả của chúng tôi chỉ ra rằng rất nhiều vụ sáp nhập cũng phá vỡ nó, cho thấy rằng chúng cũng có thể có các mặt phẳng quỹ đạo tiến động.
"Những kết quả bất ngờ này có thể có những hàm ý sâu rộng, vì tiến động là dấu hiệu của sự hình thành phân cấp của các lỗ đen."
Các câu chuyện liên quan:
— Các lỗ đen va chạm 'vòng tròn' trên không thời gian với các gợn sóng hấp dẫn
— Sóng hấp dẫn cung cấp một 'xét nghiệm DNA vũ trụ' cho các lỗ đen
— 2 lỗ đen siêu lớn hợp nhất được phát hiện vào 'trưa vũ trụ' trong vũ trụ sơ khai
Một lĩnh vực vật lý mà kết quả của nhóm nghiên cứu có thể có ảnh hưởng liên quan đến sự thống nhất của thuyết tương đối rộng và lượng tử vật lý.
Trong khi thuyết tương đối rộng là mô tả tốt nhất mà chúng ta có về lực hấp dẫn và vũ trụ ở quy mô lớn, vật lý lượng tử là mô tả tốt nhất mà nhân loại có về vũ trụ hạ nguyên tử. Tuy nhiên, mặc dù cả hai lý thuyết đều mạnh mẽ, chúng không thống nhất. Nguyên nhân chủ yếu là vì không có "lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn" nào được xác nhận.
Nghiên cứu này có thể giúp ích về mặt đó và cũng có thể tiết lộ lý do tại sao ước tính về tốc độ vũ trụ giãn nở có thể thay đổi rất nhiều, một vấn đề được gọi là "sức căng Hubble".
"Trong một nghiên cứu trước đây, chúng tôi đã chứng minh rằng các vụ sáp nhập không đối xứng gương có thể tạo ra sự phát xạ ròng các photon phân cực từ chân không lượng tử thông qua một quá trình tương tự như bức xạ Hawking", del Rio cho biết. "Nghiên cứu của chúng tôi đã xác định được nguồn khả thi đầu tiên — GW200129 — có thể tạo ra hiệu ứng này."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 23 tháng 1 trên tạp chí Physical Review Letters.
