Theo nghiên cứu mới, tiếng vọng vũ trụ từ một số vụ va chạm dữ dội nhất của vũ trụ có nhiều sắc thái hơn nhiều so với những gì các nhà khoa học nhận ra.
Giống như tiếng chuông ngân vang của một chiếc chuông bị đánh, những gợn sóng nhỏ trong cấu trúc của không thời gian được tạo ra khi các vật thể lớn như lỗ đen xoắn ốc vào nhau và hợp nhất thành một lỗ đen lớn hơn. Những gợn sóng này được gọi là "sóng hấp dẫn" và các nhà thiên văn học dựa vào các mô hình lý thuyết để giải mã các tín hiệu yếu của sóng, cả trong những khoảnh khắc cuối cùng dẫn đến sự hợp nhất và sau đó.
Về mặt lý thuyết, khi quái vật lỗ đen mới hình thành ổn định thành một dạng quay ổn định, nó sẽ phát ra một mô hình sóng hấp dẫn đặc biệt — được các nhà thiên văn học biết đến với tên gọi là chế độ chuẩn gần chuẩn (QNM) — được hình thành bởi các đặc tính nội tại của lỗ đen, chẳng hạn như khối lượng và độ quay của nó.
Các nhà thiên văn học từ lâu đã mong đợi các dạng sóng này sẽ tuân theo một mô hình có thể dự đoán được, với mỗi chế độ dần dần mờ dần theo thời gian - giống như tiếng chuông giảm dần của một chiếc chuông bị đánh. Nhưng vào năm 1997, các nhà lý thuyết đã xác định được một ngoại lệ khó hiểu: một chế độ cụ thể có vẻ không đồng bộ, một sự không nhất quán không thể giải thích được bằng các mô hình hiện có. Sự bất thường này làm dấy lên khả năng rằng các QNM không tiến hóa độc lập mà thay vào đó tương tác theo những cách phức tạp, phi tuyến tính, cho thấy cấu trúc bên trong của các lỗ đen và thậm chí cả sóng hấp dẫn mà chúng phát ra có thể phức tạp hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.
Giờ đây, công trình lý thuyết mới của Hayato Motohashi, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Tokyo Metropolitan ở Nhật Bản, đã xây dựng dựa trên bí ẩn kéo dài 30 năm này. Bằng cách phân tích hành vi của nhiều QNM như vậy, Motohashi phát hiện ra rằng "sự bất hòa" ban đầu không phải là trục trặc vũ trụ mà là kết quả của hai chế độ tương tác với nhau. Theo Motohashi, loại tương tác này xảy ra thường xuyên trên nhiều chế độ, cho thấy nó có thể là một đặc điểm cơ bản của vật lý lỗ đen.
Các bài viết liên quan:
— Liệu chúng ta có thể sử dụng lỗ đen để cung cấp năng lượng cho nền văn minh nhân loại trong tương lai không? 'Không có giới hạn nào trong việc khai thác năng lượng khổng lồ từ một lỗ đen đang quay'
— Liệu vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Phát hiện này của Kính viễn vọng không gian James Webb có thể khiến bạn kinh ngạc
— Các lỗ đen siêu lớn trong các thiên hà 'chấm đỏ nhỏ' lớn hơn 1.000 lần so với kích thước thực tế và các nhà thiên văn học không biết tại sao
Các nhà khoa học cho biết, sự kết hợp của các vòng vũ trụ như vậy không chỉ là một sự tò mò về mặt toán học. Bởi vì các tín hiệu sóng hấp dẫn, bao gồm cả QNM, được định hình bởi hình học của không thời gian của lỗ đen — "kết cấu" của vũ trụ bao quanh nó — phân tích các tương tác giữa các chế độ có thể dẫn đến "bản đồ" chính xác hơn về chính các lỗ đen.
Ví dụ, giống như tiếng chuông hơi lệch tông có thể chỉ ra vết nứt hoặc khuyết điểm, độ lệch trong tần số sóng hấp dẫn có thể chỉ ra sự bất đối xứng trong hình dạng của lỗ đen. Những khiếm khuyết này, mà các nhà khoa học dự đoán sẽ phân rã theo thời gian nhưng để lại dấu ấn tạm thời trên QNM, thậm chí có thể tiết lộ dấu hiệu của vật lý mới, theo nghiên cứu mới.
"Những phát hiện của chúng tôi mở đường cho các cuộc kiểm tra nghiêm ngặt về lỗ đen và khám phá vật lý mới trong lực hấp dẫn", Motohashi viết trong nghiên cứu mới.
Nghiên cứu này được mô tả trong bài báo được xuất bản vào ngày 9 tháng 4 trên tạp chí Thư đánh giá vật lý.
Giống như tiếng chuông ngân vang của một chiếc chuông bị đánh, những gợn sóng nhỏ trong cấu trúc của không thời gian được tạo ra khi các vật thể lớn như lỗ đen xoắn ốc vào nhau và hợp nhất thành một lỗ đen lớn hơn. Những gợn sóng này được gọi là "sóng hấp dẫn" và các nhà thiên văn học dựa vào các mô hình lý thuyết để giải mã các tín hiệu yếu của sóng, cả trong những khoảnh khắc cuối cùng dẫn đến sự hợp nhất và sau đó.
Về mặt lý thuyết, khi quái vật lỗ đen mới hình thành ổn định thành một dạng quay ổn định, nó sẽ phát ra một mô hình sóng hấp dẫn đặc biệt — được các nhà thiên văn học biết đến với tên gọi là chế độ chuẩn gần chuẩn (QNM) — được hình thành bởi các đặc tính nội tại của lỗ đen, chẳng hạn như khối lượng và độ quay của nó.
Các nhà thiên văn học từ lâu đã mong đợi các dạng sóng này sẽ tuân theo một mô hình có thể dự đoán được, với mỗi chế độ dần dần mờ dần theo thời gian - giống như tiếng chuông giảm dần của một chiếc chuông bị đánh. Nhưng vào năm 1997, các nhà lý thuyết đã xác định được một ngoại lệ khó hiểu: một chế độ cụ thể có vẻ không đồng bộ, một sự không nhất quán không thể giải thích được bằng các mô hình hiện có. Sự bất thường này làm dấy lên khả năng rằng các QNM không tiến hóa độc lập mà thay vào đó tương tác theo những cách phức tạp, phi tuyến tính, cho thấy cấu trúc bên trong của các lỗ đen và thậm chí cả sóng hấp dẫn mà chúng phát ra có thể phức tạp hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.
Giờ đây, công trình lý thuyết mới của Hayato Motohashi, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Tokyo Metropolitan ở Nhật Bản, đã xây dựng dựa trên bí ẩn kéo dài 30 năm này. Bằng cách phân tích hành vi của nhiều QNM như vậy, Motohashi phát hiện ra rằng "sự bất hòa" ban đầu không phải là trục trặc vũ trụ mà là kết quả của hai chế độ tương tác với nhau. Theo Motohashi, loại tương tác này xảy ra thường xuyên trên nhiều chế độ, cho thấy nó có thể là một đặc điểm cơ bản của vật lý lỗ đen.
Các bài viết liên quan:
— Liệu chúng ta có thể sử dụng lỗ đen để cung cấp năng lượng cho nền văn minh nhân loại trong tương lai không? 'Không có giới hạn nào trong việc khai thác năng lượng khổng lồ từ một lỗ đen đang quay'
— Liệu vũ trụ của chúng ta có bị mắc kẹt bên trong một lỗ đen không? Phát hiện này của Kính viễn vọng không gian James Webb có thể khiến bạn kinh ngạc
— Các lỗ đen siêu lớn trong các thiên hà 'chấm đỏ nhỏ' lớn hơn 1.000 lần so với kích thước thực tế và các nhà thiên văn học không biết tại sao
Các nhà khoa học cho biết, sự kết hợp của các vòng vũ trụ như vậy không chỉ là một sự tò mò về mặt toán học. Bởi vì các tín hiệu sóng hấp dẫn, bao gồm cả QNM, được định hình bởi hình học của không thời gian của lỗ đen — "kết cấu" của vũ trụ bao quanh nó — phân tích các tương tác giữa các chế độ có thể dẫn đến "bản đồ" chính xác hơn về chính các lỗ đen.
Ví dụ, giống như tiếng chuông hơi lệch tông có thể chỉ ra vết nứt hoặc khuyết điểm, độ lệch trong tần số sóng hấp dẫn có thể chỉ ra sự bất đối xứng trong hình dạng của lỗ đen. Những khiếm khuyết này, mà các nhà khoa học dự đoán sẽ phân rã theo thời gian nhưng để lại dấu ấn tạm thời trên QNM, thậm chí có thể tiết lộ dấu hiệu của vật lý mới, theo nghiên cứu mới.
"Những phát hiện của chúng tôi mở đường cho các cuộc kiểm tra nghiêm ngặt về lỗ đen và khám phá vật lý mới trong lực hấp dẫn", Motohashi viết trong nghiên cứu mới.
Nghiên cứu này được mô tả trong bài báo được xuất bản vào ngày 9 tháng 4 trên tạp chí Thư đánh giá vật lý.