Từ lâu, lỗ đen đã là một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ. Không giống như con người, lỗ đen không có những đặc điểm bên ngoài giúp nhận diện hay xác định nguồn gốc. Nhưng cũng giống như cách chúng ta có thể lần theo dấu vết tổ tiên thông qua DNA, các nhà khoa học đang khám phá một phương pháp mới để “giải mã huyết thống” của lỗ đen bằng sóng hấp dẫn – những gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian, lần đầu tiên được dự đoán bởi Albert Einstein cách đây hơn một thế kỷ.
Một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi các nhà khoa học từ Đại học Cardiff vừa công bố phát hiện quan trọng về cách sóng hấp dẫn có thể giúp xác định nguồn gốc của các lỗ đen siêu lớn. Theo họ, sự hợp nhất liên tiếp của các lỗ đen nhỏ hơn không chỉ tạo ra các lỗ đen ngày càng lớn mà còn để lại dấu ấn trong cách chúng quay, hay còn gọi là “spin”. Những đặc điểm này có thể tiết lộ cả lịch sử hình thành của chúng lẫn vị trí vũ trụ mà chúng từng tồn tại, điều mà ngay cả xét nghiệm DNA của con người cũng không thể làm được.
Lỗ đen khối lượng sao hình thành từ sự sụp đổ của những ngôi sao có khối lượng lớn hơn Mặt Trời nhiều lần. Những lỗ đen này thường có khối lượng từ 10 đến 100 lần khối lượng Mặt Trời. Tuy nhiên, các lỗ đen siêu lớn – có khối lượng gấp hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời – không thể được tạo ra chỉ từ một ngôi sao sụp đổ. Điều này đặt ra câu hỏi: Chúng hình thành như thế nào?
Từ năm 2015, khi Đài quan sát sóng hấp dẫn LIGO và Virgo lần đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn từ sự hợp nhất của hai lỗ đen, các nhà khoa học đã có trong tay một công cụ quan trọng để nghiên cứu sự tiến hóa của các vật thể bí ẩn này. Sóng hấp dẫn là kết quả của sự uốn cong không-thời gian do các vật thể có khối lượng lớn gây ra, một hiện tượng được tiên đoán bởi thuyết tương đối rộng của Einstein. Khi hai lỗ đen quay quanh nhau và dần dần bị hút vào nhau do lực hấp dẫn, chúng tạo ra những dao động mạnh mẽ trong không-thời gian, phát ra dưới dạng sóng hấp dẫn. Những tín hiệu này, khi được phân tích cẩn thận, có thể tiết lộ thông tin quan trọng về khối lượng, tốc độ quay và thậm chí cả lịch sử hợp nhất của lỗ đen.
Lỗ đen có thể hình thành theo nhiều cách khác nhau, nhưng hai nhóm chính được phân loại theo khối lượng của chúng. Lỗ đen khối lượng sao, có khối lượng từ 10 đến 100 lần Mặt Trời, được tạo thành khi các ngôi sao khổng lồ cạn kiệt nhiên liệu, sụp đổ dưới tác động của lực hấp dẫn. Trong khi đó, lỗ đen siêu lớn có khối lượng từ hàng triệu đến hàng tỷ lần Mặt Trời, lớn đến mức không thể hình thành từ một ngôi sao đơn lẻ. Thay vào đó, các nhà khoa học tin rằng chúng được tạo ra qua nhiều lần hợp nhất của các lỗ đen nhỏ hơn trong các cụm sao dày đặc.
Giống như một đứa trẻ có thể được sinh ra ở bất kỳ đâu trên Trái Đất, một lỗ đen có thể hình thành trong nhiều môi trường khác nhau. Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy rằng spin của lỗ đen không chỉ phản ánh lịch sử tiến hóa của nó mà còn có thể hé lộ nơi nó được sinh ra.
Nghiên cứu mới đây đã phân tích dữ liệu từ 69 sự kiện sóng hấp dẫn được phát hiện bởi LIGO và Virgo, nhằm xác định xem liệu có một mô hình chung nào trong sự tiến hóa của các lỗ đen hay không. Kết quả cho thấy rằng spin của một lỗ đen thay đổi rõ rệt khi nó đạt đến một khối lượng nhất định, gợi ý rằng có một điểm chuyển tiếp quan trọng trong quá trình hình thành của chúng. Khi khối lượng của lỗ đen vượt qua một ngưỡng nào đó, spin của nó phản ánh đặc điểm của các hệ thống hợp nhất lặp đi lặp lại, điều này phù hợp với giả thuyết rằng các lỗ đen siêu lớn được sinh ra từ các vụ va chạm liên tục giữa các lỗ đen nhỏ hơn trong các cụm sao.
Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định nguồn gốc của các lỗ đen siêu lớn và kiểm chứng các mô hình hình thành thiên hà. Khi các lỗ đen hình thành trong các môi trường đông đúc như trung tâm thiên hà hay các cụm sao cầu, chúng có nhiều khả năng va chạm với nhau, tạo ra những thế hệ lỗ đen mới với spin và khối lượng đặc trưng. Phát hiện này cung cấp một công cụ mạnh mẽ để lần theo lịch sử tiến hóa của các lỗ đen và thậm chí có thể giúp xác định môi trường mà chúng đã từng tồn tại.
Các thiết bị hiện tại như LIGO và Virgo đã giúp phát hiện hàng loạt vụ hợp nhất lỗ đen, nhưng các nhà khoa học đang mong chờ những bước tiến xa hơn trong tương lai.
Nhìn về tương lai, các nhà khoa học đang mong chờ dữ liệu từ các thế hệ máy dò sóng hấp dẫn tiếp theo, bao gồm Kính viễn vọng Einstein – một đài quan sát trên mặt đất tiên tiến, và LISA – một đài quan sát không gian dự kiến sẽ hoạt động vào những năm 2030. Những thiết bị này sẽ có độ nhạy cao hơn đáng kể, giúp phát hiện sóng hấp dẫn từ các lỗ đen có khối lượng lớn hơn và xa hơn trong vũ trụ, mang lại những hiểu biết chưa từng có về nguồn gốc và sự tiến hóa của chúng.
Nghiên cứu này không chỉ giúp làm sáng tỏ lịch sử hình thành của lỗ đen mà còn củng cố thêm hiểu biết của chúng ta về sự phát triển của vũ trụ. Nếu con người có thể tìm ra nguồn gốc của chính mình thông qua DNA, thì vũ trụ cũng đang dần hé mở câu chuyện của nó thông qua những gợn sóng hấp dẫn trong không-thời gian. Điều này có thể là bước tiến quan trọng trong hành trình khám phá những bí ẩn vĩ đại nhất của vũ trụ mà nhân loại vẫn đang theo đuổi.
