Định lý lỗ đen của Hawking lần đầu tiên được xác nhận trong các quan sát tự nhiên

Có một số quy tắc mà ngay cả những vật thể cực đoan nhất trong vũ trụ cũng phải tuân theo. Một định luật trung tâm về lỗ đen dự đoán rằng chân trời sự kiện (ranh giới mà từ đó không vật thể nào có thể thoát ra) của một lỗ đen sẽ không bao giờ co lại. Đây là định lý diện tích Hawking được đặt theo tên của nhà vật lý Stephen Hawking, được Hawking đưa ra vào năm 1971.

Năm mươi năm sau, một nghiên cứu mới đã sử dụng sóng hấp dẫn để thu được bằng chứng rằng tổng diện tích của chân trời sự kiện lỗ đen sẽ không bao giờ giảm. Các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts và các nơi khác đã sử dụng các quan sát về sóng hấp dẫn để xác nhận định lý diện tích của Hawking là hoàn toàn chính xác.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã quan sát cẩn thận GW150914, tín hiệu sóng hấp dẫn đầu tiên được phát hiện bởi Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế bằng laser (LIGO) vào năm 2015. GW150914 là sản phẩm của hai lỗ đen quay bên trong. Hai lỗ đen này đã hợp nhất để tạo ra một lỗ đen mới và giải phóng rất nhiều năng lượng. Các năng lượng này dao động trong không gian và thời gian dưới dạng sóng hấp dẫn.

Nếu định lý diện tích của Hawking đúng, thì diện tích đường chân trời sự kiện của lỗ đen mới này sẽ không được nhỏ hơn tổng diện tích đường chân trời sự kiện của hai lỗ đen mẹ của nó. Trong nghiên cứu mới, các nhà vật lý đã phân tích lại các tín hiệu từ GW150914 trước và sau vụ va chạm của hai lỗ đen. Họ nhận thấy rằng sau khi hợp nhất, tổng diện tích của chân trời sự kiện không giảm - họ đã công bố kết quả này với độ tin cậy 95%.

Mô phỏng trên máy tính cho thấy sự va chạm của hai hố đen. Vụ va chạm này giải phóng tín hiệu sóng hấp dẫn GW150914.

Khám phá của họ đánh dấu sự xác nhận quan sát trực tiếp đầu tiên về định lý diện tích của Hawking. Trước đó, định lý diện tích của Hawking chỉ được xác nhận về mặt toán học, nhưng nó chưa được quan sát trong tự nhiên. Nhóm nghiên cứu có kế hoạch kiểm tra các tín hiệu sóng hấp dẫn trong tương lai nhằm khẳng định thêm định lý Hawking hoặc chứng minh rằng đây là một dấu hiệu vi phạm định luật vật lý mới.

Massimiliano Isi, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của NASA Einstein tại Viện Vật lý Thiên văn và Không gian Cavali tại MIT (Massachusetts Institute of Technology) và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Có thể có các lỗ đen bao gồm các vật thể dày đặc khác nhau, mặc dù một số lỗ đen này tuân theo các quy luật của Einstein và Hawking, nhưng những hố đen khác có thể hơi khác một chút. Vì vậy, thử nghiệm này mới chỉ là bước khởi đầu".

Năm 1971, Stephen Hawking đề xuất định lý diện tích, định lý này khai sinh ra một loạt những hiểu biết cơ bản về cơ học lỗ đen. Định lý diện tích dự đoán rằng tổng diện tích của chân trời sự kiện của một lỗ đen - và tất cả các lỗ đen trong vũ trụ sẽ không bao giờ giảm. Phát biểu này giống với định luật thứ hai của nhiệt động lực học một cách đáng ngạc nhiên, bởi vì định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói rằng entropi, hay mức độ rối loạn bên trong một vật thể, sẽ không bao giờ giảm.

Sự giống nhau giữa hai định lý cho thấy rằng các lỗ đen có thể hoạt động như các vật thể nóng, tỏa nhiệt - đây là một tuyên bố khó hiểu, bởi vì về bản chất của lỗ đen, người ta tin rằng các lỗ đen sẽ không bao giờ tỏa ra năng lượng hoặc bức xạ. Hawking cuối cùng đã giải thích hai quan điểm này vào năm 1974, và đề xuất rằng nếu tính đến hiệu ứng lượng tử của lỗ đen, các lỗ đen có thể có entropi và phát ra bức xạ trên quy mô thời gian cực dài. Hiện tượng này được gọi là "bức xạ Hawking" và vẫn là một trong những tiết lộ cơ bản nhất về lỗ đen.

Isi nói: "Tất cả bắt đầu với nhận thức của Hawking rằng tổng diện tích chân trời sự kiện của một lỗ đen sẽ không bao giờ giảm. Định lý diện tích này tóm tắt một thời kỳ hoàng kim của khoa học vũ trụ trong những năm 1970".

Hawking và những người khác đã chứng minh rằng định lý diện tích có giá trị về mặt toán học, nhưng trước khi LIGO phát hiện ra sóng hấp dẫn lần đầu tiên, không có cách nào để chứng minh định lý này thông qua các quan sát tự nhiên.

Vào thời điểm đó, sau khi Hawking nghe tin LIGO đã phát hiện ra sóng hấp dẫn, ông đã lập tức liên lạc với người đồng sáng lập LIGO, Kip Thorne, giáo sư vật lý lý thuyết Feynman tại Viện Công nghệ California. Hawking tự đặt câu hỏi: Liệu kết quả phát hiện của LIGO có thể xác nhận định lý diện tích không?

Tại thời điểm đó, các nhà nghiên cứu không có khả năng lựa chọn độ tin cậy cần thiết từ các tín hiệu sóng hấp dẫn trước và sau khi hố đen sáp nhập để xác định xem liệu vùng chân trời sự kiện cuối cùng có giảm đi hay không, như dự đoán của định lý diện tích của Hawking. Một vài năm sau, Isi và các đồng nghiệp của ông đã phát triển một kỹ thuật giúp phát hiện ra định lý diện tích.

Vào năm 2019, Isi và các đồng nghiệp của mình đã phát triển một kỹ thuật có thể loại bỏ âm vang ngay sau đỉnh của GW150914. Đây là thời điểm hai lỗ đen mẹ hợp nhất để tạo thành một lỗ đen mới. Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ này để chọn ra các tần số cụ thể hoặc tông của các hệ quả nhiễu khác, và họ có thể sử dụng các tần số đã chọn để tính toán khối lượng và độ xoáy cuối cùng của lỗ đen.

Khối lượng và độ xoáy của lỗ đen liên quan trực tiếp đến khu vực chân trời sự kiện của nó. Thorne nhớ lại câu hỏi của Hawking và hỏi nhóm nghiên cứu một câu hỏi tiếp theo: Liệu họ có thể sử dụng kỹ thuật tương tự để so sánh độ tin cậy trước và sau khi hố đen sáp nhập và xác nhận định lý diện tích không?

Các nhà nghiên cứu đã chấp nhận thử thách và phân đoạn tín hiệu GW150914 một lần nữa ở đỉnh. Họ đã phát triển một mô hình để phân tích tín hiệu trước đỉnh, tương ứng với hai lỗ đen quay bên trong, và xác nhận khối lượng và vòng quay tương ứng của chúng trước khi hợp nhất. Dựa trên những ước tính này, họ đã tính toán tổng diện tích đường chân trời sự kiện của hai lỗ đen, vào khoảng 235.000 km vuông, tương đương với 9 lần diện tích của Massachusetts.

Sau đó, họ sử dụng kỹ thuật trước đó để trích xuất âm vang của lỗ đen mới hình thành, tính toán khối lượng và độ quay của lỗ đen mới, và cuối cùng là tính diện tích của chân trời sự kiện. Họ phát hiện ra rằng chân trời sự kiện của hố đen mới rộng khoảng 367.000 km vuông, tương đương với 13 lần diện tích của Massachusetts.

Isi cho biết: "Dữ liệu cho thấy diện tích đường chân trời sự kiện kết hợp chắc chắn đã tăng lên và xác suất đáp ứng định lý diện tích là rất cao. Kết quả của chúng tôi phù hợp với mô hình dự kiến".

Nhóm nghiên cứu có kế hoạch sử dụng thêm dữ liệu từ LIGO và Virgo (một giao thoa kế phát hiện sóng hấp dẫn gần Pisa, Ý) trong tương lai để kiểm tra định lý diện tích của Hawking một lần nữa và các lý thuyết cơ học lỗ đen lâu đời khác.