Tại sao hai hố đen lại khó ở bên nhau - một câu chuyện tình dang dở

*Bài viết của tác giả Xuân Trường - 7kingdoms

Bắt đầu như một cuốn tiểu thuyết tình cảm lãng mạn: Hai hố đen gặp nhau. Hấp dẫn nhau ngay lập tức. Chúng nhảy múa xung quanh, cuốn nhau vào, ngày càng gần hơn, cho đến khi... Cho đến khi thế nào? Giống như bất kỳ một mối tình nào, đây là lúc mọi thứ trở nên phức tạp.

Thuyết tương đối rộng của Einstein sớm đưa ra giả thuyết rằng, hố đen là những hố không đáy nằm trong tầng cấu trúc sâu nhất của không gian-thời gian, nơi mà trọng lực lớn đến mức mà không bât cứ thứ gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra. Khi những hố đen nhỏ, với khối lượng bằng một vài mặt trời, lang thang trong vũ trụ như những quả địa lôi rải rác, thì những hố đen siêu khối lượng lại nằm ngay ở trung tâm của hầu hết tất cả các thiên hà, nuốt vào hằng hà sa số các loại vật chất. Chúng có khối lượng bằng hằng trăm triệu mặt trời; và những nhà thiên văn học nghĩ rằng chúng đã tạo nên sự kết hợp giữa các thiên hà - vài tá, hoặc cũng có thể là hàng trăm những cuộc hội ngộ như vậy từng xảy ra vào những ngày đầu kiến tạo vũ trụ

“Bức tranh tổng quát về cấu trúc vũ trụ của chúng tôi có bao gồm cả sự vận động của những thiên hà nhỏ; chúng kết hợp với nhau để tạo nên những thiên hà lớn, và thiên hà lớn lại lặp lại quá trình đấy để còn trở nên lớn hơn nữa”, nhà vật lý học Robert Owen, chuyên gia nghiên cứu về quá trình gặp nhau của hố đen tại trường đại học Oberline, Ohio, cho biết. Nghiên cứu của ông là một phần trong hợp tác Mô Phỏng Thời gian-Không gian Cực hạn (Simulating eXtreme Spacetimes). Mỗi một quá trình hợp tung đòi hỏi hàng triệu năm hoặc hơn - quá lớn để có thể quan sát trong thực tế - nhưng những nhà vật lý lý thuyết có thể sử dụng trình mô phỏng để dựng lại “mối quan hệ” này bằng mã hóa.

Nào, và đây chính là lúc rắc rối bắt đầu. Khi những nhà vật lý sử dụng trình mô phỏng, hai hố đen trung tâm của hai thiên hà đang bắt đầu gặp nhau... bị kẹt. Rất hiếm khi, nói chính xác là hầu như chẳng bao giờ, hai hố đen trực tiếp gặp nhau. Thay vào đó, bởi thường xuyên chỉ di chuyển riêng biệt, không liên quan đến nhau nên khi có sự tiếp xúc, do bảo toàn động năng, chúng sẽ bắt đầu xoay quanh và tiến dần vào nhau (di chuyển dạng xoắn ốc). Sự chuyển động tăng dần, xuất hiện lực hấp dẫn chung, cho đến khi chúng hình thành quỹ đạo tròn với cách biệt chỉ một cánh tay - hay theo ngôn ngữ thiên văn học, một parsec (hay ba năm ánh sáng). Rồi, giống như những đôi tình nhân chỉ trực để giết nhau, không có một bước tiến nào nữa.

Owen đưa ra một phân tích: Hãy tưởng tượng rằng tay của bạn là một trong những hố đen này, và bạn đang tạo xoáy nước trong xô tượng trưng cho hàng đống thứ hầm bà lằng trong thiên hà. Đầu tiên thì nước sẽ tạo lực cản trên tay bạn, khiến nó chậm lại. Trong không gian, tương tác hút này, hay còn gọi là ma sát động lực, làm giảm mô-men động lượng (1) của một hố đen đang trong quỹ đạo, khiến nó tiến về phía hố đen còn lại. Nhưng sau một quãng thời gian, nước trong xô bắt đầu di chuyển theo quỹ đạo mà bàn tay tạo ra, khiến bạn cảm thấy lực cản ít hơn. Tương tự như vậy, trong mô phỏng về việc các thiên hà hợp tung, các vì sao cũng như nhiều loại vật thể khác sẽ bắt đầu di chuyển theo hướng của hai hố đen đang “tạo xoáy”. Và khi mà ma sát động lực mất dần, hai hố đen bắt đầu di chuyển theo quỹ đạo ổn định.

Đây là chính cấu trúc của không gian-thời gian chuyển động

Nếu như câu chuyện của các nhà vật lý lý thuyết về việc kiến tạo vũ trụ là chuẩn xác, thì hai hố đen đó sẽ dần dần chạm hẳn vào nhau và nuốt lẫn nhau, trở thành một. Nhưng để làm vậy, theo một cách nào đó, chúng phải mất đủ năng lượng để không còn tự xoay nữa trong giai đoạn cách nhau một parsec cuối cùng. Đến khi rất gần nhau - cách nhau cỡ vài tỷ dặm (0.001 parsec) - thuyết tương đối rộng nói rằng chúng sẽ hi sinh những động lực cuối cùng, bùng nổ “phát cuối” với hàng trăm nghìn đợt sóng trọng lực, tạo ra những cơn chấn động trong không gian. Giây phút bùng nổ năng lượng cuối cùng này nối hai hố đen với nhau, kết thúc một quá trình hàng giờ, ngày, hoặc năm, hay cả thế kỷ, tùy vào việc hai hố đen lớn như thế nào.

Tại sao lại có cuộc ân ái này? Câu hỏi, vẫn được gọi là “vấn đề ở parsec cuối cùng”, không chỉ đơn thuần là tò mò. Câu trả lời có thể thay đổi hiểu biết của chúng ta về việc vũ trụ tạo ra các cấu trúc nhiều tầng như thế nào, cũng như bản chất của trọng lực. Đó là lý do vì sao, khi mà những nhà vật lý lý thuyết đang ngồi tự huyễn hoặc với đống giả lập, thì những nhà thiên văn học quan sát bầu trời để tìm ra những manh mối về việc thực sự thì những hố đen giải quyết vấn đề này như thế nào trong tự nhiên - nếu có.

Trong 30 năm qua, các nhà thiên văn học đã thu thập các bức ảnh về hàng trăm thiên với một cặp hố đen siêu khối lượng ở nhiều giai đoạn tiếp xúc khác nhau. Nhưng thậm chí những hố đen “thân thiết” nhất cũng không gần nhau quá vài ngàn parsec. “Tìm kiếm những hố đen đang rất gần giai đoạn hợp thành một, ở khoảng cách một parsec hoặc nhỏ hơn, vô cùng khó khăn”, Matthew Graham, một nhà khoa học máy tính tại Viện kỹ thuật California cho biết. Tệ hơn là kể cả kính thiên văn lớn nhất Trái Đất hiện tại không thể phóng đủ to để có được một bức ảnh rõ ràng về hai hố đen di chuyển trong quỹ đạo gần nhau như vậy.

Vậy nên Graham và những người bạn chuyển qua nghiên cứu một con đường “âm binh” hơn: ánh sáng chuẩn tinh (quasar) nhấp nháy. Chuẩn tinh là “trung tâm ánh sáng” của những thiên hà lớn, có tuổi đời cao. Khi mà vật chất bị xoáy về trung tâm của các hố đen, chúng tạo thành một cái đĩa mà mô-men động lượng sau đó sẽ chuyển một phần vật chất thành ánh sáng, với cường độ còn cao hơn cả thiên hà. Bởi vì khí cũng như bụi không cứ thế mày chảy vào đĩa, ánh sáng chuẩn tinh thay đổi theo các kiểu dáng ngẫu nhiên.

Nhưng đến cuối năm 2013, một chuẩn tinh tự dưng xuất hiện như "đứa con lưu lạc của gia đình". Sử dụng 10 năm, dữ liệu trong một chương trình có tên gọi là Khảo sát thực tế cực ngắn Catalina, Graham và bè bạn nhận được một tí hiệu lạ: Chuẩn tinh “PG 1302-102”, cách trái đất “có khoảng” 3,5 tỉ năm ánh sáng có vẻ như sáng lên rồi tối đi đều đặn mỗi 5.5 năm, giống như thượng đế đang nghịch đèn pin, tắt bật liên tục vậy.

“Chúng tôi nghĩ đến khoảng bốn đến năm khả năng vật lý có thể xảy ra”, Graham nói. Sự tham gia của một hố đen siêu khối lượng khác, ví dụ thôi, có thể chuyển hướng tỏa sáng của chuẩn tinh. Hoặc là hố đen này trực tiếp “động vào” cái đĩa xoay, khiến cho ánh sáng của chuẩn tinh bị nhấp nháy theo một trình tự nhất định. Nhưng tất cả các lý giải đều có một điểm chung: Điều đấy chỉ hợp lý khi hố đen ở trung tâm của PG 1302-102 thực ra là hai.

Nếu như thực sự có một hố đen hai trong một, tại trung tâm của PG 1302-102, Graham và các đồng nghiệp dự đoán rằng chúng chỉ cách nhau có 0.01 parsec. Một phân tích khác, của đội tại trường đại học Columbia, cho rằng chúng còn sát hơn, chỉ 0.001 parsec, hay nói một cách các bà đi chợ hay nói, cỡ cái hệ mặt trời của chúng ta - tại điểm mà hai hố đen bắt đầu lột các sóng trọng lực của nhau như quần áo rồi nhảy vào nhau, gần không thể gần hơn. Thế nào đi chăng nữa, nếu như những con người chỉ ăn với nghiên cứu mà đọc đúng tín hiệu từ PG 1302-102, ý nghĩa câu chuyện vẫn là: Tự nhiên nó thế, tự nó đã giải quyết được vấn đề parsec cuối cùng.

Graham cùng đồng nghiệp trong ngành đến nay đã xác định được hơn 100 chuẩn tinh trong tập hợp dữ liệu Catalina mà họ nghĩ rằng có thể có các hố đen hai-phai, tất cả đều đang ở giai đoạn thân mật lắm rồi, hay là ở parsec cuối cùng rồi. Nếu như có thể chắc chắn được những giả thuyết này, họ sẽ được nhìn trộm những cảnh bị hở ra của màn cuối cùng, sự tổng hòa giao hợp vĩ đại của vũ trụ, thứ mà thiên nhiên tìm mọi cách để giấu.

Bước đột phá trong việc giải quyết vấn đề parsec cuối, cái cách mà các hố đen tự giải thoát mình để tụ họp với nhau, có thể đến nhờ việc nhìn nhận vũ trụ bằng cách mới. “Chúng ta mới chỉ cầm nắm được một cách vụng về các luồng điện từ trường mà thôi”, Owen nói, mô tả nỗ lực để tìm kiếm các hố đen đôi sử dụng các kính thiên văn cổ điển. Về lý thuyết mà nói, hợp nhất hố đen sẽ tỏa ra một luồng năng lượng gấp 100 triệu lần một vụ nổ siêu tân tinh, nhưng tất cả đống năng lượng đấy lại trở thành sóng trọng lực, chứ không phải ánh sáng. “Chúng ta đang cố gắng lắng nghe chúng bằng mắt - giống như là cảm nhận trống đang đánh thùm thùm bằng cách căng mắt ra mà nhìn chứ không thể nghe được vậy”.

Quan sát sự tiếp xúc của hố đen thông qua sóng trọng lực có thể đem đến một cái nhìn rõ ràng hơn. “Ánh sáng phát ra từ trung tâm thiên hà thường bị hút vào, bị “phát lại”, hoặc phân tán do các tầng khí và bụi”, nhà vật lý thiên văn Chiara Mingarelli tại Viện công nghệ California (Caltech) và Viện Max Planck giải thích về một bức tranh không hoàn chỉnh trong chương trình phát thanh Radio Astronomy, “Lan tỏa [trọng lực] không quan tâm đến nếu như có khí hay bụi - chúng truyền qua mà không gặp cản trở gì cả. Đó chính là sự vận động của cấu trúc thời gian-không gian”.

Tuy nhiên, phát hiện được những đợt sóng lan này, lại không đơn giản: Thiên văn sóng trọng lực là một ngành non trẻ, nên khó có thể trông đợi ngay lập tức. Thêm nữa, công nghệ quan sát dựa trên laser hiện tại như LIGO không đủ nhạy cảm đối với các luồng sóng dao động mà những nhà thiên văn học nghi ngờ rằng xuất phát từ những hố đen đôi như PG 1302-102.

Các nhà nghiên cứu hi vọng thay vào đó có thể chộp được những xáo trộn này sử dụng những “kính tiềm vọng” của chính thiên nhiên: sao xung trong một phần nghìn giây. Những xác sao dày đặc, quay cuồng này điểm tô vũ trụ như những hải phao lênh đênh trên biển, liên tục đẩy đến trái đất những sóng radio với độ chính xác của đồng hồ nguyên tử. Bằng cách quan sát tiếng “tíc-tóc” của hàng tá những sao xung trong một phần nghìn giây (“dò định thời gian sao xung”) trong ngay thiên hà của chúng ta, Milky Way, các nhà thiên văn học có thể tìm kiếm những độ lệch có thể khiến chúng ta thấy được những đợt sóng trọng lực từ hai hố đen đang chuẩn bị tiếp cận ở một thiên hà khác...

Tín hiệu quang phổ từ những đợt sóng này - từ “thình thịch thình thịch” cho đến “thịch...thịch...thịch...thịch”, cũng như tất cả các thể loại nằm giữa - sẽ cung cấp cho chúng ta dữ liệu mà từ đó các nhà vật lý lý thuyết có thể thử nghiệm các mô hình mới, hoặc kiểm tra lại những mô hình cũ về quá trình hợp nhất. “Dò định thời gian sao xung là cách duy nhất để chúng ta biết được điều gì xảy ra tại thời điểm parsec cuối - cái gì tạo nên những giai đoạn cuối cùng trong quá trình hợp nhất của hố đen đôi”, Joseph Simon, nghiên cứu sinh sau đại học tại trường Wisconsin-Milwaukee, cho biết.

Sự biến mất của những đợt sóng trọng lực cũng có thể có ích. Sau gần một thập kỷ theo dõi, Simon phát biểu, dò định thời gian sao xung “cuối cùng cũng đủ nhạy cảm để cho chúng ta biết là nếu như không có gì xảy ra thì đang có gì xảy ra”. Sự thật là có thể sự biến mất của những đợt sóng trọng lực khiến cho sự hiểu biết về quá trình tiếp xúc của hai hố đen tại thời điểm parsec cuối không đầy đủ. Thay vì lan tỏa ra, có thể một phần năng lượng trong giai đoạn cuối đó lại bị biến mất một cách nào đó bởi các đám sao và khí gần đó... Có thể là lực hấp dẫn của các hố đen tạo ra một vòng tròn bụi và khí xung quanh. Hoặc các hố đen lại khiến các sao bị bay ra do mô-men... Nếu như các nhà vật lý hiểu được cơ chế năng lượng biến mất này, có thể họ sẽ giải thích được vì sao hai hố đen đang hợp nhất vượt qua được giai đoạn parsec cuối cùng.

Những tính toán này sẽ đưa đến họ gần hơn với giới hạn của Einsteins khi ông dự đoán về thuyết tương đối rộng. “Chúng ta nói về thuyết tương đối rộng như một thuyết đã chắc chắn đúng, và theo một cách nào đó, nó lại là thuyết có sự chính xác cao nhất trong vật lý”, Owen nói. Nhưng các nhà khoa học chưa bao giờ có thể kiểm chứng trong những môi trường siêu trọng lực, như việc hai hố đen nhập tung, khi mà các quy luật vật lý do Newton đưa ra không có ý nghĩa, khi mà những khái niệm thông dụng như năng lượng, động năng, và khối lượng không còn ý nghĩa. Nếu như kết quả cho thấy rằng sự bùng nổ trọng lực từ việc hố đen hợp nhất thực sự yếu hơn những gì mà thuyết tương đối rộng nói, có thể đã đến lúc chất vấn những lý thuyết của Einstein.

Cuối cùng, hoàn thiện bức tranh tình yêu của hai hố đen sẽ cho chúng ta biết chúng ta đang làm cái gì trên Trái Đất - liệu có phải chúng ta đang trèo thuyền trên các đợt sóng trọng lực, hay chỉ đơn giản là sự lan tỏa của một giọt nước. “Đó là sự khác biệt của một cái ao toàn cá vàng với một đại dương toàn cá mập”, Owen mơ màng nói.

Tham khảo Nautilus