Bằng việc sử dụng tín hiệu sóng hấp dẫn, các nhà thiên văn học đã dò được vụ va chạm các lỗ đen gây bối rối bậc nhất, mạnh nhất và ở xa nhất. Vụ hợp nhất của hai kẻ khổng lồ này diễn ra ở thời điểm vũ trụ có độ tuổi bằng nửa tuổi hiện tại, và ít nhất một kẻ – có khối lượng gấp 85 lần mặt trời – có khối lượng từng được cho là quá lớn để tham gia một sự kiện như vậy. Và sự sáp nhập này tạo ra một lỗ đen có khối lượng gấp 150 lần mặt trời, các nhà nghiên cứu ước tính, đặt nó vào một phạm vi mà chưa lỗ đen nào được phát hiện trước đây đạt được.

“Tất cả những gì từ khám phá này là không thể tin được”, Simon Portegies Zwart, một nhà vật lý thiên văn tính toána lại trường đại học Leiden, Hà Lan, nhận xét. Ông nói, cụ thể noác nhận sự tồn tại của ‘khối lượng trung gian’ của các lỗ đen: các vật thể có khối lượng lớn hơn nhiều so với một ngôi sao thông thường nhưng không hoàn toàn lớn như những lỗ đen siêu khối lượng cư ngụ ở trung tâm của các thiên hà.

Ilya Mandel, một nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại trường đại học Monash tại Melbourne, Australia, thì gọi phát hiện này “bất ngờ một cách kỳ diệu”.

Được miêu tả trong hai bài báo được xuất bản vào ngày 2/9/2020, sự kiện sáp nhập này được dò thấy vào ngày 21/5/2019 bằng bộ máy dò ở Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) tại Mỹ và bằng đài quan sát nhỏ hơn Virgo gần Pisa, Italy. Nó mang tên GW190521.

“Vùng cấm” khối lượng

Kể từ năm 2015, LIGO và Virgo đã đem lại nhiều cái nhìn thấu suốt mới vào vũ trụ bằng việc cảm nhận các sóng hấp dẫn. Các gợn sóng trong bề mặt đan dệt của không – thời gian có thể tiết lộ những sự kiện như sáp nhập các lỗ đen, vốn không thể phát hiện bằng các kính thiên văn thông thường.

Từ những đặc tính của sóng hấp dãn như cách nó thay đổi trong bước sóng dịch chuyển, các nhà vật lý thiên văn có thể ước tính các kích thước cũng như những đặc điểm khác của các vật thể tạo ra chúng khi chúng đang di chuyển xoắn lại với nhau. Điều này đã làm cách mạng hóa nghiên cứu về lỗ đen, đem lại bằng chứng trực tiếp cho hàng chục vật thể với phạm vi khối lượng từ gấp mặt trời vài lần đến 50 lần.

Khối lượng này thích hợp với những lỗ đen được hinh thanhg theo cách thông thường – khi một ngôi sao rất lớn mất nhiên liệu vào việc đốt cháy và suy sụp trong trọng lượng của chính nó. Nhưng lý thuyết thông thường cho rằng hiện tượng suy sụp sao không tạo ra các lỗ đen với khối lượng vào khoảng 65 và 120 lần khối lượng mặt trời. Đó là bởi vì vào giao đoạn cuối đời của chúng, các ngôi sao trong một phạm vi kích thước nhất định sẽ có lõi trở nên quá nóng đến mức chúng bắt đầu chuyển đổi các photon thành các cặp hạt và phản hạt – một hiện tượng gọi là bất ổn cặp. Điều này kích hoạt phản ứng nhiệt hạch của các hạt nhân oxy bùng nổ, khiến cho ngôi sao bị tách ra, hoàn toàn tan rã.

Trong khám phá của mình, các máy dò LIGO và Virgo cảm nhận được bốn gợn sóng cuối cùng do các lỗ đen xoắn lại, với một tần số tăng lên từ 30 đến 80 Hertz trong một phần 10 của giây. Trong khi các lỗ đen nhỏ hơn tiếp tục tạo ra sóng hấp dẫn ở những tần số cao hơn, các lỗ đen lớn sáp nhập lại sớm hơn và hầu như tới dải tần số mà các máy dò cảm hận được.

Trong trường hợp này, hai vật thể được ước tính có khối lượng gấp 85 và 66 lân khối lượng mặt trời. “Nó hoàn toàn nằm gần phạm vi một lỗ đen mà người ta có thể chờ đợi khoảng cách khối lượng bất ổn cặp có thể đạt,” theo Christopher Berry - nhà vật lý thiên văn ở LIGO và trường đại học Northwestern ở Evanston, Illinois.

Selma de Mink, một nhà vật lý thiên văn ở trường đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts, lại cho là bất ổn căp này ở mức thấp hơn, có lẽ khoảng 45 lần khối lượng mặt trời, vốn có thể đặt hai vật thể nhẹ hơn vào “vùng cấm”. “Với tôi, cả hai lỗ đen này đều khổng lồ một cách quá lố”, bà nói.

Những lỗ đen không theo quy ước

Để giải thích cho quan sát của mình, các nhà nghiên cứu ở LIGO xem xét một loạt những khả năng, bao gồm các lỗ đen đã có mặt ở đó ngay thời điểm bắt. Trong nhiều thập kỷ, họ đã phỏng đoán là những lỗ đen “nguyên thủy” đã được hình thành một cách tự nhiên trong một phạm vi kích thước khác nhau chỉ ngay sau vụ nổ Big Bang.

Kịc bản tính mà nhóm nghiên cứu dự tính là các lỗ đen đó quá lớn bởi vì chúng là kết quả của những sáp nhập lỗ đen sớm hơn. Các lỗ đen là kết quả của vụ suy sụp sao nên nằm trong những cụm sao dày đặc và theo nguyên tắc thì chúng có thể chịu nhiều cuộc sáp nhập liên tiếp. Tuy nhiên kich bản này có vấn đề bởi theo sau cuộc sáp nhập đầu tiên, lỗ đen hệ quả này phải nhận được một tác động từ sóng hấp dẫn và bị đẩy khỏi cụm sao. Chỉ trong các trường hợp hiếm hoi có thể lỗ đen ở lại khu vực nơi nó có thể chịu thêm một sáp nhập khác.

Những sáp nhập thành công có thể diễn ra tương tự nếu các lỗ đen “định cư” tại vùng trung tâm đông đúc của thiên hà đó, de Mink nói, nơi lực hấp dẫn đủ mạnh để ngăn các vật thể khỏi bị bắn ra ngoài

Hiện vẫn chưa rõ là cuộc sáp nhập này diễn ra trong thiên hà nào. Nhưng có lẽ trong cùng khu vực của bầu trời, một nhóm nghiên cứu điểm một quasar- một trung tâm thiên hà cực sáng do một lỗ đen siêu khối lượng cung cấp năng lượng -trải qua một cơn bùng phát khoảng một tháng sau GW190521. Cơn bùng phát này có thể có một sóng sốc trong vùng khí nóng của quasar và tạo ra bằng sự nảy lại của lỗ đen, dẫu nhiều nhà thiên văn học vẫn thận trọng về việc chấp nhận việc cả hai hiện tượng này có liên quan.

Đây là lần thứ hai trong năm nhóm hợp tác LIGO–Virgo bắt tay vào tìm hiểu một phạm vi khối lượng “cấm”: trong tháng 6/2020, họ miêu tả sự sáp nhập bao gồm một vật thể có khối lượng gấp 2,6 khối lượng mặt trời – được coi là quá nhẹ để là một lỗ đen nhưng quá nặng để là một ngôi sao neutron.