Làm thế nào sóng hấp dẫn có thể nhìn thấy bên trong lỗ đen

Hố đen là một số vật thể bí ẩn nhất trong vũ trụ. Điều này một phần là do các phương trình của thuyết tương đối rộng mà chúng ta sử dụng để hiểu chúng bị phá vỡ khi nghiên cứu các tâm siêu đặc của lỗ đen. 

Tuy nhiên, một bài báo mới cho thấy một ngày nào đó các nhà thiên văn học có thể vượt qua thử thách này bằng cách sử dụng sóng hấp dẫn để "nhìn" bên trong các lỗ đen đang hợp nhất và tìm hiểu cấu tạo thực sự của chúng.

Kính hiển vi hấp dẫn

Trong thuyết tương đối rộng của Einstein , lỗ đen là vật thể ngăn ánh sáng thoát ra do lực hấp dẫn cực mạnh của chúng. Ranh giới của lỗ đen được gọi là chân trời sự kiện — nếu bạn vượt qua ngưỡng đó, bạn sẽ không bao giờ thoát ra được. Thuyết tương đối cũng dự đoán rằng tâm của lỗ đen là những điểm có mật độ cao vô hạn, được gọi là điểm kỳ dị.

Sự hiện diện của các điểm kỳ dị có nghĩa là chính các phương trình đang bị phá vỡ; vô hạn bắt đầu xuất hiện trong toán học ngăn cản các tính toán tiếp theo. Vì vậy, chúng ta biết rằng thuyết tương đối rộng là không đầy đủ. Phải có một lý thuyết cơ bản hơn, có lẽ liên quan đến vật lý lượng tử ở quy mô hạ nguyên tử, có thể mô tả chính xác những gì đang xảy ra ở tâm lỗ đen.

Chúng ta chưa có bất kỳ lý thuyết lượng tử hoàn chỉnh nào về lực hấp dẫn, nhưng chúng ta có một số ứng cử viên. Ví dụ, có lý thuyết dây(mở trong tab mới), dự đoán rằng tất cả các hạt trong vũ trụ thực sự được tạo thành từ các dây dao động siêu nhỏ. Ngoài ra còn có lực hấp dẫn lượng tử vòng , nói rằng bản thân không-thời gian được tạo thành từ các khối nhỏ, không thể phân chia giống như pixel trên màn hình máy tính.

Cả hai cách tiếp cận này đều có thể thay thế điểm kỳ dị truyền thống ở tâm lỗ đen bằng một thứ khác. Nhưng khi bạn thay thế điểm kỳ dị, bạn cũng thường loại bỏ chân trời sự kiện . Đó là bởi vì chân trời sự kiện được gây ra bởi lực hấp dẫn vô hạn của điểm kỳ dị. Không có điểm kỳ dị, lực hấp dẫn chỉ đơn thuần là cực kỳ mạnh, nhưng không phải là vô hạn, và vì vậy bạn luôn có thể thoát khỏi vùng lân cận của lỗ đen miễn là bạn chạy với vận tốc đủ lớn.

Trong một số biến thể của lý thuyết dây, điểm kỳ dị và chân trời sự kiện được thay thế bằng mạng lưới các nút thắt rối rắm của không thời gian. Trong lực hấp dẫn lượng tử vòng, điểm kỳ dị trở thành một số vật chất kỳ lạ cực kỳ nhỏ, cực kỳ dày đặc. Trong các mô hình khác, toàn bộ lỗ đen được thay thế bằng một lớp vỏ vật chất mỏng, hoặc bằng các cụm hạt đầu cơ mới.

Bí ẩn lỗ đen

Với các lỗ đen được biết đến gần nhất(mở trong tab mới)cách xa hàng nghìn năm ánh sáng , thật khó để kiểm tra những mô hình này. Nhưng đôi khi lỗ đen gửi cho chúng ta thông tin quan trọng, đặc biệt là khi chúng hợp nhất với nhau. Khi chúng làm như vậy, chúng giải phóng lũ sóng hấp dẫn, là những gợn sóng trong không-thời gian có thể được phát hiện bằng các thiết bị nhạy cảm trên Trái đất , như Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) và các thí nghiệm VIRGO.

Cho đến nay, tất cả các quan sát về sự hợp nhất của lỗ đen đều phù hợp với mô hình lỗ đen cơ bản được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng. Nhưng điều đó có thể thay đổi trong tương lai khi các thế hệ đài quan sát sóng hấp dẫn mới xuất hiện trực tuyến, một bài báo xuất bản ngày 30 tháng 11 trên tạp chí in sẵn arXiv(mở trong tab mới)gợi ý.

Theo bài báo, điều quan trọng không phải là sóng hấp dẫn phát ra trong quá trình hợp nhất, mà là sóng hấp dẫn phát ra ngay sau đó. Khi quá trình hợp nhất kết thúc và hai lỗ đen trở thành một vật thể duy nhất, khối hợp nhất mới sẽ rung động với một lượng năng lượng cực lớn, giống như tiếng chuông đánh. Giai đoạn "đổ chuông" này có dấu hiệu sóng hấp dẫn riêng biệt.

Bằng cách nghiên cứu những chữ ký đó, một ngày nào đó các nhà nghiên cứu có thể biết được lý thuyết lỗ đen nào đúng và lý thuyết nào không. Mỗi mô hình lỗ đen dự đoán sự khác biệt trong sóng hấp dẫn phát ra trong giai đoạn giảm dần, bắt nguồn từ sự khác biệt trong cấu trúc bên trong của lỗ đen . Với các cấu trúc lỗ đen khác nhau, các loại sóng hấp dẫn khác nhau phát ra.

Các nhà thiên văn học hy vọng rằng thế hệ máy dò sóng hấp dẫn tiếp theo sẽ đủ nhạy cảm để phát hiện những thay đổi nhỏ được dự đoán này đối với chữ ký đổ chuông. Nếu đúng như vậy, chúng sẽ làm thay đổi hoàn toàn quan niệm của chúng ta về hố đen và đưa chúng ta tiến lên trong việc gỡ rối những bí ẩn sâu xa nhất của chúng.