Lần đầu phát hiện dấu hiệu của 3 hố đen trong quá trình hợp nhất

Khả năng 3 hố đen hợp nhất tồn tại đầy rẫy ngoài vũ trụ

Theo một phân tích mới từ dữ liệu của liên minh quan sát LIGO–Virgo–KAGRA, sự kiện va chạm của một cặp hố đen vào năm 2019 cho thấy dấu hiệu của một gia tốc bất thường, gợi ý rằng có thể tồn tại một hố đen thứ ba.

Dấu hiệu tồn tại đã rõ

Nhà thiên văn học Wen-Biao Han thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cho biết: “Đây là phát hiện quốc tế đầu tiên mang lại bằng chứng rõ ràng về sự hiện diện của một vật thể nén thứ ba trong một sự kiện hợp nhất hố đen đôi. Điều này hé lộ rằng cặp hố đen trong sự kiện GW190814 có thể không hình thành một cách đơn lẻ, mà nằm trong một hệ hấp dẫn phức tạp hơn, từ đó mang lại hiểu biết quan trọng về con đường hình thành của các hố đen đôi”.

Từ lần đầu tiên sóng hấp dẫn được phát hiện vào năm 2015, các nhà khoa học đã ghi nhận khoảng 300 vụ hợp nhất – những sự kiện mà cặp hố đen hoàn tất quá trình suy giảm quỹ đạo và cuối cùng va chạm, hợp thành một vật thể duy nhất, tạo ra sóng hấp dẫn lan tỏa trong không–thời gian.

Bằng cách phân tích tín hiệu trong các gợn sóng ấy, giới thiên văn có thể ước tính khối lượng của các hố đen liên quan. Một số vụ hợp nhất thậm chí còn gợi mở khả năng xảy ra cái gọi là “hợp nhất phân cấp” – chuỗi hợp nhất liên tiếp, từng bước tạo ra những hố đen ngày càng lớn hơn.

Điều này xuất phát từ thực tế rằng hố đen khối lượng sao chỉ có thể hình thành tới một giới hạn nhất định – khi một ngôi sao khổng lồ phát nổ siêu tân tinh, vứt bỏ lớp vỏ ngoài và để lại lõi sụp đổ dưới trọng lực thành hố đen. Vượt quá một mức khối lượng nhất định, toàn bộ ngôi sao – cả lõi lẫn lớp vỏ – sẽ nổ tung và tan biến, không để lại gì ngoài mảnh vụn. Vì vậy, nếu quan sát thấy hố đen vượt quá giới hạn này, các nhà khoa học suy luận rằng nó là sản phẩm của một vụ hợp nhất trước đó.

Điều đặc biệt là GW190814 lại không chứa hố đen nào vượt giới hạn này. Trái lại, một trong hai hố đen liên quan được cho là nhỏ nhất từng được phát hiện – chỉ gấp 2,6 lần khối lượng Mặt Trời, ở ranh giới mong manh giữa hố đen và sao neutron. Hố đen còn lại lớn hơn nhiều, khoảng 23 khối lượng Mặt Trời. Tỷ lệ khối lượng này nằm ngoài những gì mô hình tiến hóa sao dự đoán, bởi thường thì các hệ đôi sẽ gồm hai vật thể có kích thước tương đối đồng đều.

Nhóm nghiên cứu do Shu-Cheng Yang thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu tin rằng sự chênh lệch khối lượng này cho thấy một quá khứ phức tạp: một cặp hố đen có thể đã bị hút lại với nhau dưới sức hấp dẫn của một hố đen thứ ba, lớn hơn nhiều, mà quanh nó, cặp đôi này quay quỹ đạo.

Cần kiểm chứng ủng hộ giả thuyết

Để kiểm chứng giả thuyết, họ phân tích kỹ hơn dữ liệu sóng hấp dẫn. Một cặp hố đen quay quanh một hố đen thứ ba sẽ tạo ra thêm gia tốc dọc theo hướng quan sát, do chuyển động quỹ đạo quanh vật thể thứ ba. Nhóm nghiên cứu đã tính toán cách dấu hiệu này xuất hiện trong dữ liệu, rồi so sánh với kết quả quan trắc của GW190814.

Theo mô hình của họ, dữ liệu cho thấy có gia tốc theo đường quan sát tương đương 0,0015 lần tốc độ ánh sáng trong chân không, với mức tin cậy khoảng 90%. Điều này hé lộ khả năng tồn tại một hố đen thứ ba, chưa từng được nhìn thấy.

Nếu đúng, kết quả này có thể đồng nghĩa rằng những vụ hợp nhất hố đen, ít nhất trong một số trường hợp, diễn ra trong những bối cảnh phức tạp hơn nhiều so với điều chúng ta từng biết. Có thể còn nhiều tín hiệu tương tự ẩn giấu trong kho dữ liệu, chờ đợi các công cụ phân tích mới để được nhận diện.

Ngoài ra, phát hiện này còn bổ sung bằng chứng cho lý thuyết “hợp nhất phân cấp”, khi xác nhận sự tồn tại của các hệ ba hố đen, nơi những vụ hợp nhất có thể xảy ra.

Đợt quan sát tiếp theo của mạng lưới LIGO–Virgo–KAGRA được kỳ vọng sẽ mang lại khối lượng dữ liệu khổng lồ về các vụ hợp nhất hố đen. Biết đâu, nó còn giúp hé lộ rõ hơn môi trường nơi các sự kiện này diễn ra, cũng như những kịch bản đa dạng mà các tương tác giữa hố đen có thể biểu hiện trong vũ trụ.

Bùi Tú