Vật thể bí ẩn trong va chạm vũ trụ

Tuấn Sơn11:11 01/07/2020

Vào tháng Tám năm ngoái, các máy dò hấp dẫn LIGO và Virgo đã phát hiện tín hiệu được cho là xuất phát từ vụ va chạm lỗ đen và sao neutron.

Hiện giờ, các nhà khoa học khẳng định tín hiệu đó và đặt cho nó cái tên là GW190814. Tuy nhiên, dường như sao neutron trong vụ va chạm vũ trụ ấy hoàn toàn không phải là sao neutron!

Thông thường, sau vụ nổ siêu tân tinh là còn lại lỗ đen hoặc sao neutron. Kết quả cuối cùng phụ thuộc vào khối lượng của ngôi sao đầu tiên, được thể hiện trong phần lớn các vật thể được quan sát. Những ngôi sao neutron nặng nhất có khối lượng nhỏ hơn 2,5 lần khối lượng Mặt trời. Còn các lỗ đen nhẹ nhất nặng hơn ngôi sao của chúng ta 5 lần. Giữa sao neutron nặng nhất và lỗ đen nhẹ nhất là “khoảng trống khối lượng”. Hiện giờ, trong “khoảng trống khối lượng” ấy, các nhà khoa học quan sát được vật thể đầu tiên với khối lượng trung bình.

Vật thể khác thường có khối lượng bằng khoảng 2,6 lần khối lượng Mặt trời và là một thành phần của vụ va chạm với lỗ đen nặng hơn Mặt trời 23 lần. Vụ va chạm đó xảy ra ngày 14/8/2019. Đây là vụ va chạm khác thường bởi 2 lý do: Nó gây ra bức xạ sóng hấp dẫn với tỷ lệ khối lượng cực đoan (9:1); còn bản thân đối tượng hoặc là loại sao neutron nặng nhất, hoặc là loại lỗ đen nhẹ nhất.

“Các mô hình lý thuyết hiện hành là thách thức đối với việc liên kết các cặp vật thể với tỷ lệ khối lượng lớn, trong đó vật thể có khối lượng nhỏ xuất phát từ “khoảng trống khối lượng”. Phát hiện này gợi ý rằng các sự kiện đó xảy ra thường xuyên hơn so với dự đoán ban đầu của chúng ta” – Giáo sư Vicky Kalogera ở ĐH Northwestern (Mỹ), cho biết.

Sau khi phát hiện sóng hấp dẫn trong máy dò LIGO, cả giới thiên văn náo động. Hơn chục kính viễn vọng mặt đất và một vài kính viễn vọng không gian hối hả tìm đối tượng phát ra sóng hấp dẫn đó. Tuy nhiên, không ai phát hiện ra bất kỳ sự kiện trung gian nào.

“Vật thể bí ẩn có thể là sao neutron liên kết với lỗ đen. Tuy nhiên, với khối lượng bằng 2,6 lần khối lượng Mặt trời, vật thể vượt qua giới hạn của dự đoán về khối lượng lớn nhất của sao neutron. Thay vào đó, vật thể có thể là lỗ đen nhẹ nhất mà chúng ta biết đến” – Giáo sư Kalogera nói.

Bản chất thật sự của vật thể bí ẩn nói trên vẫn chưa được các nhà khoa học kết luận. Các nhà khoa học cho biết, cần phải có nhiều quan sát hơn để thu thập thêm kiến thức về kiểu vật thể này.

Một vụ va chạm vừa tạo ra lỗ đen mới nặng gấp 25 Mặt Trời

Một vật thể bí ẩn được phát hiện va chạm với lỗ đen cách Trái Đất 800 triệu năm ánh sáng, khối lượng nhẹ hơn lỗ đen ấy rất nhiều.

Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Vật lý Thiên văn ngày 23/6 đã mô tả một vụ va chạm giữa lỗ đen với vật thể chưa xác định, được đặt tên là GW190814. Tại thời điểm xảy ra vụ va chạm, lỗ đen có khối lượng lớn hơn Mặt Trời 23 lần, tuy nhiên vật thể va chạm với nó chỉ có khối lượng lớn hơn Mặt Trời 2,6 lần.

Các nhà nghiên cứu cho rằng vật thể chưa xác định này có thể là một lỗ đen khác hoặc là sao neutron (ngôi sao hình thành từ những gì còn sót lại sau khi một ngôi sao già phát nổ).

Vật thể bí ẩn được phát hiện va chạm với lỗ đen cách Trái Đất 800 triệu năm ánh sáng có thể là sao neutron, lỗ đen hoặc một vật chất hoàn toàn mới. Ảnh: NASA.

Nếu vật thể va chạm được xác định là lỗ đen, nó sẽ là lỗ đen nhẹ nhất từng được ghi nhận (hiện lỗ đen nhẹ nhất có khối lượng gấp 5 lần Mặt Trời). Còn nếu vật thể ấy là sao neutron, đó sẽ là sao neutron lớn nhất (ngôi sao neutron lớn nhất bây giờ được nhà khoa học tìm thấy nặng hơn Mặt Trời 2,3-2,4 lần). Vụ va chạm đã tạo ra một lỗ đen mới có khối lượng gấp 25 lần Mặt Trời.

Nếu không phải 2 thứ trên, rất có khả năng đó là một vật chất nhẹ và đặc hoàn toàn mới, lần đầu tiên được tìm thấy.

"Đây là phát hiện gây sốc bởi chúng tôi không ngờ vật thể va chạm có khối lượng (kỳ lạ) như thế này", Imre Bartos, nhà vật lý thiên văn Đại học Florida, đồng tác giả nghiên cứu chia sẻ.

Theo Bartos, khối lượng của vật thể này nằm trong khoảng gấp 2,2-5 lần Mặt Trời, của những hành tinh, ngôi sao mà con người không thể sống được, liên quan đến lớp trọng lượng bí ẩn gọi là khoảng cách khối lượng - mass gap (sự khác nhau về năng lượng giữa trạng thái năng lượng thấp nhất, chân không và trạng thái năng lượng thấp tiếp theo).

Thankful Cromartie, nhà vật lý thiên văn Đại học Virginia, cho rằng đây có thể là một lỗ đen siêu nhẹ, dựa trên bằng chứng quan sát và giả thuyết về khối lượng chấp nhận của một sao neutron. Nếu đây là sao neutron, chúng ta sẽ cần nghiên cứu lý do ngôi sao này có lượng vật chất vô cùng dày đặc.

Hình ảnh mô tả 2 lỗ đen va chạm tạo ra sóng hấp dẫn. Ảnh: Viện Vật lý hấp dẫn Max Planck, Simulating eXtreme Spacetimes (SXS).

Trong quá khứ, các nhà khoa học từng phát hiện một lỗ đen va chạm với lỗ đen khác, thậm chí các sao neutron va chạm với nhau, song chưa từng phát hiện sao neutron va chạm với lỗ đen.

Vụ va chạm GW190814 được phát hiện lần đầu ngày 14/8/2019 bởi Đài quan trắc Sóng hấp dẫn bằng Giao thoa kế Laser (LIGO) đặt tại Louisiana và Washington (Mỹ) thuộc Tổ chức Khoa học Quốc gia Mỹ, và máy dò Virgo đặt tại Cascina (Italy). Nó cách Trái Đất khoảng 800 triệu năm ánh sáng, tạo ra sóng hấp dẫn khiến các máy dò tìm thấy.

Điều đáng chú ý là sự chênh lệch khối lượng giữa 2 vật thể của vụ va chạm này có tỉ lệ lên đến 9:1, phá kỷ lục của vụ va chạm trước đó (GW190412) giữa 2 lỗ đen có tỉ lệ khối lượng 4:1.

Tháng 8/2017, vụ va chạm GW170817 được phát hiện giữa 2 sao neutron, tạo ra sóng ánh sáng khiến các máy dò nhận diện được. Tuy nhiên lần này không có sóng ánh sáng nào được tìm thấy.

Các nhà khoa học cho rằng khoảng cách xảy ra vụ va chạm quá lớn nên máy dò không thể thấy sóng ánh sáng. Nếu là va chạm giữa 2 lỗ đen, sẽ không có ánh sáng nào tạo ra. Còn nếu vật thể nhỏ hơn là sao neutron, nó sẽ bị lỗ đen nuốt chửng.

Ảnh mô phỏng 2 lỗ đen va chạm, kết hợp thành một. Ảnh: Cơ quan Vũ trụ châu Âu.

Charlie Hoy, thành viên thuộc phòng công tác khoa học LIGO cho rằng đây có thể là khởi đầu cho việc tìm thấy một loại vật thể liên quan đến sóng hấp dẫn nhị phân nhỏ (compact binary) hoàn toàn mới. Cô nói rằng ít có khả năng đây là sao neutron, nhưng cũng không nên dành nhiều thời gian nghiên cứu bởi khả năng có kết quả là không nhiều.

Tóm lại, nguồn gốc của vật thể này vẫn là điều bí ẩn. Cả lỗ đen và sao neutron đều hình thành khi các ngôi sao già phát nổ, song vật thể này không có dấu hiệu hình thành từ ngôi sao mà là thứ gì đó chưa thể xác định.

Khả năng được Bartos đưa ra là vật thể này hình thành sau vụ va chạm của 2 sao neutron khối lượng bình thường (khoảng gấp 1,3 lần khối lượng Mặt Trời).

"Điều thực sự thú vị là phát hiện này mới chỉ là khởi đầu", Hoy nói. "Khi các máy dò ngày càng nhạy hơn, chúng sẽ quan sát được nhiều tín hiệu hơn để xác định các quần thể sao neutron và lỗ đen trong vũ trụ".

Những bí ẩn về 20 phút đầu tiên sau khi vũ trụ hình thành Những giây đầu tiên hình thành vũ trụ, các hạt photon, neutron và electron được tạo ra. Sau hơn 380.000 năm chìm trong bóng đêm, vũ trụ xuất hiện ánh sáng từ một ngôi sao đầu tiên.

Tìm thấy lỗ đen gần Trái đất nhất Một nhóm các nhà thiên văn học từ Đài thiên văn Nam châu Âu (ESO) và các viện nghiên cứu khác đã phát hiện ra một lỗ đen nằm cách Trái đất chỉ 1000 năm ánh sáng. Lỗ đen này gần với Hệ mặt trời của chúng ta hơn bất kỳ hệ thống nào khác được tìm thấy cho đến nay. Nhóm nghiên...