Hiện tượng vũ trụ được Einstein tiên đoán có thể thay đổi cái nhìn về vũ trụ như chúng ta đã biết!

Vào ngày 11 tháng 2 năm 2016, các nhà nghiên cứu tại Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) đã công bố lần đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn. Theo dự đoán từ Thuyết tương đối rộng của Einstein, những sóng này là kết quả của việc các vật thể khối lượng lớn hợp nhất lại, gây ra những gợn sóng trong không thời gian có thể phát hiện được.

Kể từ đó, các nhà vật lý thiên văn đã đưa ra lý thuyết về vô số cách mà sóng hấp dẫn có thể được sử dụng để nghiên cứu vật lý ngoài các mô hình tiêu chuẩn của lực hấp dẫn và vật lý hạt, đồng thời nâng cao hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.

Cho đến nay, sóng hấp dẫn đã được đề xuất như một phương tiện nghiên cứu vật chất tối, hay những gì bên trong sao neutron, siêu tân tinh, sự hợp nhất giữa các lỗ đen siêu lớn, v.v.

Trong một nghiên cứu gần đây, một nhóm các nhà vật lý từ Đại học Amsterdam và Đại học Harvard đã đề xuất một cách mà sóng hấp dẫn có thể được sử dụng để tìm kiếm các boson (một trong hai loại hạt cơ bản trong tự nhiên) siêu nhẹ xung quanh các lỗ đen đang quay. Phương pháp này không chỉ đưa ra một cách mới để phân biệt các thuộc tính của lỗ đen nhị phân mà còn có thể dẫn đến việc phát hiện ra các hạt mới ngoài Mô hình Chuẩn - Standard Model.

Nghiên cứu sau đó tiếp tục được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Vật lý hạt thiên văn hấp dẫn Amsterdam (GRAPPA), thuộc Đại học Amsterdam, với sự hỗ trợ của Trung tâm Vật lý Lý thuyết và Trung tâm Khoa học Lý thuyết Quốc gia tại Đại học Đài Bắc, và Đại học Harvard. Kết quả của nghiên cứu đã được xuất bản với tiêu đề "Những tín hiệu sắc nét của đám mây Boson trong Hố đen Binary Inspiral" đã được đăng trên tạp chí Physical Review Letters.

Một thực tế nổi tiếng là vật chất bình thường sẽ xâm nhập vào các lỗ đen theo thời gian, điều này sẽ tạo thành một đĩa bồi tụ xung quanh rìa ngoài của nó (hay còn gọi là Chân trời sự kiện). Đĩa này sẽ được tăng tốc đến tốc độ đáng kinh ngạc, khiến vật chất bên trong trở nên siêu nóng và giải phóng một lượng bức xạ cực lớn trong khi từ từ được bồi tụ lên mặt lỗ đen. Tuy nhiên, trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học đã quan sát thấy rằng các lỗ đen sẽ giảm một phần khối lượng của chúng thông qua một quá trình được gọi là "superradiance".

Hiện tượng này được nghiên cứu bởi Stephen Hawking, người đã mô tả cách các lỗ đen quay sẽ phóng ra bức xạ trông "thật" đối với một người quan sát gần đó, nhưng "ảo" đối với một người ở xa. Trong quá trình truyền bức xạ từ hệ quy chiếu này sang hệ quy chiếu khác, bản thân gia tốc của hạt sẽ làm cho hạt chuyển từ ảo sang thực. Dạng năng lượng kỳ lạ này, được gọi là "Bức xạ Hawking", sẽ tạo thành các đám mây gồm các hạt khối lượng thấp xung quanh một lỗ đen. Điều này dẫn đến "nguyên tử hấp dẫn" - "gravitational atom" - được đặt tên như vậy vì chúng giống với các nguyên tử thông thường (các đám mây hạt bao quanh lõi).

Trong khi các nhà khoa học biết rằng hiện tượng này xảy ra, họ cũng hiểu rằng nó chỉ có thể được giải thích thông qua sự tồn tại của một hạt siêu nhẹ mới tồn tại ngoài Mô hình Chuẩn. Đây là trọng tâm của bài báo mới, trong đó tác giả chính Daniel Baumann (GRAPPA và Đại học Đài Bắc) và các đồng nghiệp của ông đã kiểm tra cách thức siêu siêu âm gây ra các đám mây boson siêu nhẹ không ổn định hình thành xung quanh các lỗ đen một cách tự nhiên. Ngoài ra, họ cho rằng sự tương đồng giữa nguyên tử hấp dẫn và nguyên tử thông thường đi sâu hơn cấu trúc của chúng.

Tóm lại, họ cho rằng lỗ đen nhị phân có thể khiến các hạt trong đám mây của chúng bị ion hóa thông qua hiệu ứng quang điện. Như Einstein đã mô tả, điều này xảy ra khi năng lượng điện từ (chẳng hạn như ánh sáng) tiếp xúc với một vật liệu, khiến nó phát ra các electron bị kích thích (quang điện tử). Khi được áp dụng cho một lỗ đen nhị phân, Baumann và các đồng nghiệp của ông đã chỉ ra cách các đám mây boson siêu nhẹ có thể hấp thụ “năng lượng quỹ đạo” của một "người bạn đồng hành" trong lỗ đen. Điều này sẽ khiến một số boson bị đẩy ra và tăng tốc.

Cuối cùng, họ đã chứng minh quá trình này có thể làm thay đổi đáng kể sự tiến hóa của các lỗ đen nhị phân. Như họ nói:

“Năng lượng quỹ đạo bị mất trong quá trình này có thể lấn át tổn thất do phát xạ GW (Gravitational wave - Sóng hấp dẫn), do đó quá trình ion hóa thúc đẩy quá trình phát triển không chỉ đơn thuần làm nó xáo trộn. Chúng tôi cho thấy rằng sức mạnh ion hóa có chứa các đặc điểm sắc nét dẫn đến 'đường gấp khúc' đặc biệt trong sự phát triển của tần số GW phát ra".

Họ lập luận rằng “những đường gấp khúc” này sẽ dễ nhận thấy đối với các giao thoa kế sóng hấp dẫn thế hệ tiếp theo như Ăng-ten không gian giao thoa kế laser (LISA). Quá trình này có thể được sử dụng để khám phá một lớp hạt siêu nhẹ hoàn toàn mới và cung cấp thông tin trực tiếp về khối lượng và trạng thái của các đám mây “nguyên tử hấp dẫn”. Nói tóm lại, các nghiên cứu liên tục về sóng hấp dẫn sử dụng các giao thoa kế nhạy hơn có thể tiết lộ các hiện tượng vật lý kỳ lạ giúp nâng cao hiểu biết của chúng ta về lỗ đen và dẫn đến những đột phá mới trong vật lý hạt.

Trong những năm tới, các nhà vật lý thiên văn hy vọng sẽ sử dụng chúng để thăm dò những môi trường khắc nghiệt nhất trong vũ trụ, như lỗ đen và sao neutron. Họ cũng hy vọng rằng sóng hấp dẫn nguyên thủy sẽ tiết lộ những điều về vũ trụ sơ khai, giúp giải quyết bí ẩn về sự mất cân bằng vật chất/ phản vật chất, và dẫn đến một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn mới.

Tham khảo: Inverse