Các nhà khoa học đã đưa ra những dự đoán chính xác nhất từ trước đến nay về những nhiễu loạn không gian-thời gian khó nắm bắt xảy ra khi hai lỗ đen bay gần nhau.
Những phát hiện mới, được xuất bản vào thứ Tư (ngày 14 tháng 5) trên tạp chí Nature, cho thấy các khái niệm toán học trừu tượng từ vật lý lý thuyết có ứng dụng thực tế trong việc mô hình hóa các gợn sóng không-thời gian, mở đường cho các mô hình chính xác hơn để giải thích dữ liệu quan sát.
Sóng hấp dẫn là sự biến dạng trong cấu trúc của không-thời gian do chuyển động của các vật thể lớn như lỗ đen hoặc sao neutron. Lần đầu tiên được dự đoán trong thuyết tương đối rộng của Albert Einstein vào năm 1915, chúng đã được được phát hiện trực tiếp lần đầu tiên sau một thế kỷ, vào năm 2015. Kể từ đó, những con sóng này đã trở thành một công cụ quan sát mạnh mẽ cho các nhà thiên văn học đang thăm dò một số sự kiện dữ dội và bí ẩn nhất của vũ trụ.
Để hiểu được các tín hiệu được thu thập bởi các máy dò nhạy như LIGO (Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser) và Virgo, các nhà khoa học cần các mô hình cực kỳ chính xác về hình dạng dự kiến của các sóng đó, về mặt tinh thần tương tự như dự báo thời tiết vũ trụ. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã dựa vào các siêu máy tính mạnh mẽ để mô phỏng các tương tác của lỗ đen đòi hỏi phải tinh chỉnh quỹ đạo của lỗ đen từng bước, một quá trình hiệu quả nhưng chậm và tốn kém về mặt tính toán.
Giờ đây, một nhóm do Mathias Driesse của Đại học Humboldt ở Berlin đứng đầu đã áp dụng một cách tiếp cận khác. Thay vì nghiên cứu các vụ sáp nhập, các nhà nghiên cứu tập trung vào "các sự kiện tán xạ" — các trường hợp trong đó hai lỗ đen xoáy gần nhau dưới lực hấp dẫn lẫn nhau và sau đó tiếp tục theo các đường đi riêng biệt mà không sáp nhập. Những cuộc chạm trán này tạo ra các tín hiệu sóng hấp dẫn mạnh khi các lỗ đen tăng tốc vượt qua nhau.
Để mô hình hóa các sự kiện này một cách chính xác, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang lý thuyết trường lượng tử, một nhánh của vật lý thường được sử dụng để mô tả các tương tác giữa các hạt cơ bản. Bắt đầu bằng các phép tính gần đúng đơn giản và phân lớp phức tạp một cách có hệ thống, các nhà nghiên cứu đã tính toán được các kết quả chính của các lần bay ngang qua lỗ đen: chúng bị lệch bao nhiêu, năng lượng bức xạ dưới dạng sóng hấp dẫn là bao nhiêu và những con quái vật này lùi lại bao nhiêu sau khi tương tác.
Công trình của họ kết hợp năm cấp độ phức tạp, đạt đến thứ mà các nhà vật lý gọi là cấp độ hậu Minkowski thứ năm — cấp độ chính xác cao nhất từng đạt được trong việc mô hình hóa các tương tác này.
Việc đạt đến cấp độ này "là chưa từng có và thể hiện lời giải chính xác nhất cho các phương trình của Einstein được đưa ra cho đến nay", Gustav Mogull, một nhà vật lý hạt tại Đại học Queen Mary, London và là đồng tác giả của nghiên cứu, nói với Space.com.
Phản ứng của nhóm nghiên cứu khi đạt được độ chính xác mang tính bước ngoặt này "chủ yếu là sự ngạc nhiên vì chúng tôi đã hoàn thành được công việc", Mogull nhớ lại.
Các bài viết liên quan:
— Thuyết tương đối tổng quát là gì? Hiểu về cuộc cách mạng không-thời gian của Einstein
— Sóng hấp dẫn là gì?
— Lý thuyết dây là gì?
Trong khi tính toán năng lượng bức xạ dưới dạng sóng hấp dẫn, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các hình dạng sáu chiều phức tạp được gọi là đa tạp Calabi–Yau xuất hiện trong các phương trình. Các cấu trúc hình học trừu tượng này — thường được hình dung như các mô phỏng chiều cao hơn của các bề mặt giống như bánh rán — từ lâu đã là một yếu tố chính của lý thuyết dây, một khuôn khổ cố gắng thống nhất cơ học lượng tử với lực hấp dẫn. Cho đến nay, người ta vẫn tin rằng chúng là những cấu trúc toán học thuần túy, không có vai trò nào có thể kiểm chứng trực tiếp gắn liền với các hiện tượng có thể quan sát được.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu mới, những hình dạng này xuất hiện trong các phép tính mô tả năng lượng phát ra dưới dạng sóng hấp dẫn khi hai lỗ đen lướt qua nhau. Đây là lần đầu tiên chúng xuất hiện trong một bối cảnh về nguyên tắc có thể được kiểm chứng thông qua các thí nghiệm trong thế giới thực.
Mogull ví sự xuất hiện của chúng giống như việc chuyển từ kính lúp sang kính hiển vi, làm lộ ra các đặc điểm và hoa văn trước đây không thể phát hiện được. Ông cho biết: "Sự xuất hiện của những cấu trúc như vậy làm sáng tỏ các loại đối tượng toán học mà thiên nhiên được xây dựng nên".
Những phát hiện này dự kiến sẽ cải thiện đáng kể các mô hình lý thuyết trong tương lai nhằm mục đích dự đoán các dấu hiệu sóng hấp dẫn. Những cải tiến như vậy sẽ rất quan trọng khi các máy dò sóng hấp dẫn thế hệ tiếp theo — bao gồm Ăng-ten không gian giao thoa kế laser (LISA) đã được lên kế hoạch và Kính viễn vọng Einstein ở Châu Âu — đi vào hoạt động trong những năm tới.
"Cải thiện độ chính xác là cần thiết để theo kịp độ chính xác cao hơn dự kiến từ các máy dò này", Mogull cho biết.
Những phát hiện mới, được xuất bản vào thứ Tư (ngày 14 tháng 5) trên tạp chí Nature, cho thấy các khái niệm toán học trừu tượng từ vật lý lý thuyết có ứng dụng thực tế trong việc mô hình hóa các gợn sóng không-thời gian, mở đường cho các mô hình chính xác hơn để giải thích dữ liệu quan sát.
Sóng hấp dẫn là sự biến dạng trong cấu trúc của không-thời gian do chuyển động của các vật thể lớn như lỗ đen hoặc sao neutron. Lần đầu tiên được dự đoán trong thuyết tương đối rộng của Albert Einstein vào năm 1915, chúng đã được được phát hiện trực tiếp lần đầu tiên sau một thế kỷ, vào năm 2015. Kể từ đó, những con sóng này đã trở thành một công cụ quan sát mạnh mẽ cho các nhà thiên văn học đang thăm dò một số sự kiện dữ dội và bí ẩn nhất của vũ trụ.
Để hiểu được các tín hiệu được thu thập bởi các máy dò nhạy như LIGO (Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser) và Virgo, các nhà khoa học cần các mô hình cực kỳ chính xác về hình dạng dự kiến của các sóng đó, về mặt tinh thần tương tự như dự báo thời tiết vũ trụ. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã dựa vào các siêu máy tính mạnh mẽ để mô phỏng các tương tác của lỗ đen đòi hỏi phải tinh chỉnh quỹ đạo của lỗ đen từng bước, một quá trình hiệu quả nhưng chậm và tốn kém về mặt tính toán.
Giờ đây, một nhóm do Mathias Driesse của Đại học Humboldt ở Berlin đứng đầu đã áp dụng một cách tiếp cận khác. Thay vì nghiên cứu các vụ sáp nhập, các nhà nghiên cứu tập trung vào "các sự kiện tán xạ" — các trường hợp trong đó hai lỗ đen xoáy gần nhau dưới lực hấp dẫn lẫn nhau và sau đó tiếp tục theo các đường đi riêng biệt mà không sáp nhập. Những cuộc chạm trán này tạo ra các tín hiệu sóng hấp dẫn mạnh khi các lỗ đen tăng tốc vượt qua nhau.
Để mô hình hóa các sự kiện này một cách chính xác, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang lý thuyết trường lượng tử, một nhánh của vật lý thường được sử dụng để mô tả các tương tác giữa các hạt cơ bản. Bắt đầu bằng các phép tính gần đúng đơn giản và phân lớp phức tạp một cách có hệ thống, các nhà nghiên cứu đã tính toán được các kết quả chính của các lần bay ngang qua lỗ đen: chúng bị lệch bao nhiêu, năng lượng bức xạ dưới dạng sóng hấp dẫn là bao nhiêu và những con quái vật này lùi lại bao nhiêu sau khi tương tác.
Công trình của họ kết hợp năm cấp độ phức tạp, đạt đến thứ mà các nhà vật lý gọi là cấp độ hậu Minkowski thứ năm — cấp độ chính xác cao nhất từng đạt được trong việc mô hình hóa các tương tác này.
Việc đạt đến cấp độ này "là chưa từng có và thể hiện lời giải chính xác nhất cho các phương trình của Einstein được đưa ra cho đến nay", Gustav Mogull, một nhà vật lý hạt tại Đại học Queen Mary, London và là đồng tác giả của nghiên cứu, nói với Space.com.
Phản ứng của nhóm nghiên cứu khi đạt được độ chính xác mang tính bước ngoặt này "chủ yếu là sự ngạc nhiên vì chúng tôi đã hoàn thành được công việc", Mogull nhớ lại.
Các bài viết liên quan:
— Thuyết tương đối tổng quát là gì? Hiểu về cuộc cách mạng không-thời gian của Einstein
— Sóng hấp dẫn là gì?
— Lý thuyết dây là gì?
Trong khi tính toán năng lượng bức xạ dưới dạng sóng hấp dẫn, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các hình dạng sáu chiều phức tạp được gọi là đa tạp Calabi–Yau xuất hiện trong các phương trình. Các cấu trúc hình học trừu tượng này — thường được hình dung như các mô phỏng chiều cao hơn của các bề mặt giống như bánh rán — từ lâu đã là một yếu tố chính của lý thuyết dây, một khuôn khổ cố gắng thống nhất cơ học lượng tử với lực hấp dẫn. Cho đến nay, người ta vẫn tin rằng chúng là những cấu trúc toán học thuần túy, không có vai trò nào có thể kiểm chứng trực tiếp gắn liền với các hiện tượng có thể quan sát được.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu mới, những hình dạng này xuất hiện trong các phép tính mô tả năng lượng phát ra dưới dạng sóng hấp dẫn khi hai lỗ đen lướt qua nhau. Đây là lần đầu tiên chúng xuất hiện trong một bối cảnh về nguyên tắc có thể được kiểm chứng thông qua các thí nghiệm trong thế giới thực.
Mogull ví sự xuất hiện của chúng giống như việc chuyển từ kính lúp sang kính hiển vi, làm lộ ra các đặc điểm và hoa văn trước đây không thể phát hiện được. Ông cho biết: "Sự xuất hiện của những cấu trúc như vậy làm sáng tỏ các loại đối tượng toán học mà thiên nhiên được xây dựng nên".
Những phát hiện này dự kiến sẽ cải thiện đáng kể các mô hình lý thuyết trong tương lai nhằm mục đích dự đoán các dấu hiệu sóng hấp dẫn. Những cải tiến như vậy sẽ rất quan trọng khi các máy dò sóng hấp dẫn thế hệ tiếp theo — bao gồm Ăng-ten không gian giao thoa kế laser (LISA) đã được lên kế hoạch và Kính viễn vọng Einstein ở Châu Âu — đi vào hoạt động trong những năm tới.
"Cải thiện độ chính xác là cần thiết để theo kịp độ chính xác cao hơn dự kiến từ các máy dò này", Mogull cho biết.
