Lần đầu tiên xác nhận lý thuyết lỗ đen của Hawking thông qua quan sát

Các nhà khoa học đã lần đầu tiên sử dụng dữ liệu quan sát về sóng hấp dẫn dể xác nhận định lý diện tích Hawking. Mô phỏng máy tính cho thấy sự va chạm giữa hai lỗ đen tạo ra tín hiệu sóng hấp dẫn, GW150914. Ảnh: Mô phỏng dự án eXtreme Spacetimes (SXS). 

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 chân trời sự kiện của chúng - ranh giới mà một khi vật chất vượt qua sẽ không thể thoát ra ngoài - không bao giờ có thể bị thu hẹp. Đây là định lý diện tích Hawking - đặt theo tên nhà vật lý Stephen Hawking và do chính ông đưa ra vào năm 1971.

Năm mươi năm sau đó, các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts và các nơi khác lần đầu tiên xác nhận định lý diện tích Hawking là chính xác nhờ sử dụng dữ liệu quan sát về sóng hấp dẫn. Họ đã công bố kết quả nghiên cứu này trên tạp chí Physical Review Letters.

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã cẩn thận quan sát GW150914, tín hiệu sóng hấp dẫn đầu tiên được Đài quan trắc Sóng hấp dẫn bằng Giao thoa kế Laser (LIGO) ghi nhận năm 2015. Tín hiệu này phát ra từ hai lỗ đen quay quanh nhau theo quỹ đạo xoắn ốc cho đến khi sáp nhập thành một lỗ đen mới và giải phóng năng lượng cực lớn lan truyền trong không-thời gian dưới dạng sóng hấp dẫn.

Nếu định lý diện tích của Hawking là chính xác, thì diện tích chân trời sự kiện của lỗ đen mới sẽ không được nhỏ hơn tổng diện tích chân trời sự kiện của hai lỗ đen mẹ. Trong nghiên cứu mới, các nhà vật lý tiến hành phân tích lại tín hiệu từ GW150914 trước và sau vụ va chạm trong vũ trụ. Thật vậy, họ nhận thấy tổng diện tích chân trời sự kiện đã không giảm sau khi hai lỗ đen hợp nhất - kết quả được họ công bố với độ tin cậy đạt 95%.

Phát hiện của nhóm nghiên cứu đánh dấu lần đầu tiên định lý diện tích Hawking được kiểm chứng thông qua quan sát trực tiếp. Trước đó, định lý này tuy đã được chứng minh về mặt toán học, song chưa bao giờ được kiểm nghiệm bằng quan sát trong tự nhiên. Nhóm nghiên cứu có kế hoạch kiểm tra các tín hiệu sóng hấp dẫn trong tương lai, nhằm xem xét liệu chúng có là bằng chứng để củng cố khẳng định về định lý Hawking hay dấu hiệu về một dạng vật lý mới.

Maximiliano Isi, tác giả chính của bài báo, nghiên cứu sinh chương trình NASA Einstein làm việc tại Viện Nghiên cứu Vật lý Thiên văn và Không gian Kavli tại MIT, cho biết: “Rất có thể tồn tại một loạt các vật thể compact khác nhau. Một vài trong số đó là các lỗ đen tuân theo các quy luật vật lý của Einstein và Hawking, trong khi những vật thể còn lại có thể hơi kỳ dị một chút. Bởi vậy, thử nghiệm này không phải làm một lần đã xong mà mới chỉ là bước khởi đầu.”

Ngoài Isi, các tác giả còn lại đứng tên trong bài báo là Will Farr thuộc Đại học Stony Brook và Trung tâm Vật lý Thiên văn Tính toán tại Viện Flatiron, Matthew Giesler thuộc Đại học Cornell, Mark Scheel thuộc Viện Công nghệ California, và Saul Teukolsky thuộc Đại học Cornell và Viện Công nghệ California.

Kỷ nguyên của những khám phá sâu sắc

Năm 1971, Stephen Hawking đưa ra định lý diện tích, từ đó mở ra một loạt những hiểu biết cơ bản về cơ học lỗ đen. Định lý này dự đoán tổng diện tích chân trời sự kiện của một lỗ đen - và nhìn chung của tất cả lỗ đen trong vũ trụ - sẽ không bao giờ giảm. Phát biểu này rất giống với định luật thứ hai của nhiệt động lực học, vốn khẳng định entropy, hay mức độ hỗn loạn của một vật, luôn tăng chứ không giảm.

Sự tương đồng giữa hai lý thuyết gợi ý, lỗ đen có thể hoạt động như các vật thể phát nhiệt - đây là một mệnh đề khó hiểu, bởi người ta tin rằng lỗ đen về bản chất không thể cho phép năng lượng thoát ra, hoặc phát xạ. Vào năm 1974, Hawking cuối cùng đã giải quyết mâu thuẫn giữa hai quan điểm này khi chỉ ra lỗ đen có thể có entropy và phát ra bức xạ trong thang thời gian rất dài nếu tính đến các hiệu ứng lượng tử của chúng. Hiện tượng này được gọi là “bức xạ Hawking” và cho đến nay vẫn là một trong những khám phá cơ bản nhất về lỗ đen.

Isi cho hay: “Tất cả bắt nguồn từ nhận định của Hawking về tổng diện tích chân trời sự kiện không bao giờ giảm của lỗ đen. Định lý diện tích này đã tóm gọn thời đại hoàng kim những năm 1970, khi những khám phá thiên văn đem lại nhiều hiểu biết sâu sắc về vũ trụ.

Hawking và những người khác đã chứng minh rằng định lý diện tích hợp lý về mặt toán học nhưng không có cách nào kiểm tra nó trong tự nhiên, cho đến khi LIGO phát hiện ra sóng hấp dẫn.

Sau khi nghe tin, Hawking nhanh chóng liên lạc với nhà đồng sáng lập LIGO là Kip Thorne, giáo sư Vật lý Lý thuyết Feynman tại Viện Công nghệ California. Câu hỏi của ông: Liệu phát hiện này có thể kiểm chứng định lý diện tích hay không?

Tại thời điểm đó, giới nghiên cứu không có khả năng lọc ra những thông tin cần thiết từ tín hiệu sóng hấp dẫn, trước và sau vụ sáp nhập lỗ đen, nhằm xác định xem liệu diện tích chân trời sự kiện cuối cùng có đúng là không giảm đi như dự đoán của Hawking hay không. Phải đến vài năm sau, khi Isi và đồng nghiệp đã phát triển một kỹ thuật mới, giới khoa học mới có thể kiểm nghiệm định lý diện tích trong thực tế.

 Định lý diện tích Hawking được đặt theo tên nhà vật lý Stephen Hawking và do chính ông đưa ra vào năm 1971. Ảnh: CPR

 

Trước và sau

Vào năm 2019, Isi và đồng nghiệp đã phát triển một kỹ thuật cho phép trích xuất âm thanh dội lại ngay sau khi GW150914 đạt đỉnh - thời khắc hai lỗ đen mẹ va chạm và hợp thành một lỗ đen mới. Nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ này để lọc ra các tần số cụ thể từ những dạng âm thanh nhiễu loạn phát ra từ vụ sáp nhập, từ đó tính toán được khối lượng và spin của lỗ đen cuối cùng.

Khối lượng và spin của một lỗ đen liên quan trực tiếp đến diện tích chân trời sự kiện của nó. Từ mối băn khoăn của Hawking, Thorne đặt thêm một câu hỏi về những đặc tính này: Liệu họ có thể sử dụng kỹ thuật tương tự để so sánh tín hiệu trước và sau vụ sáp nhập, và xác nhận định lý diện tích hay không?

Các nhà nghiên cứu chấp nhận thử thách và một lần nữa phân tách tín hiệu GW150914 khi đạt đỉnh. Họ phát triển một mô hình nhằm phân tích tín hiệu trước đỉnh, tương ứng với hai lỗ đen đang xích lại gần nhau theo quỹ đạo xoắn ốc, và xác định khối lượng và spin của chúng trước khi hợp nhất. Dựa trên những ước tính này, họ tính ra tổng diện tích chân trời sự kiện của cặp lỗ đen - vào khoảng 235.000 km2, gấp chín lần diện tích tiểu bang Massachusetts.

Sau đó, họ sử dụng kỹ thuật trước đó để trích xuất tiếng lỗ đen mới hình thành, từ đó tính toán khối lượng và spin của nó, và sau cùng là diện tích chân trời sự kiện. Con số sau cùng được tính ra rơi vào khoảng 367.000 km2, tương đương với 13 lần diện tích tiểu bang Massachusetts.

Theo Isi, “Dữ liệu cho thấy diện tích chân trời sự kiện gần như chắc chắn đã tăng lên sau khi hai lỗ đen hợp nhất, và xác suất thỏa mãn định lý diện tích là rất cao. Thật nhẹ nhõm khi kết quả của chúng tôi phù hợp với mô hình dự kiến và xác nhận hiểu biết của chúng tôi về những vụ sáp nhập lỗ đen phức tạp như thế này.”

Nhóm nghiên cứu có kế hoạch sử dụng dữ liệu thu thập từ LIGO và Virgo, một đài quan trắc sóng hấp dẫn khác đặt tại Ý, nhằm tiếp tục kiểm tra định lý diện tích của Hawking và các lý thuyết cơ học lỗ đen lâu đời khác.

Isi cho biết: “Điều đáng mừng là giờ đây chúng ta có thể suy nghĩ về dữ liệu sóng hấp dẫn theo những cách mới và sáng tạo, và đặt những câu hỏi mà trước đây ta nghĩ rằng không thể được đặt ra. Chúng ta có thể tiếp tục khơi ra những mẩu thông tin đối thoại trực tiếp với những trụ cột trong hiểu biết hiện tại của con người. Một ngày nào đó, lượng dữ liệu này có thể tiết lộ điều mà chúng ta chưa từng ngờ tới.

Hà Trang dịch

 

Nguồn: Physicists observationally confirm Hawking’s black hole theorem for the first time