Kể từ khi sóng hấp dẫn lần đầu tiên được phát hiện vào năm 2015, các thiết bị gồm LIGO, Virgo và KAGRA đã liên tục ghi nhận các tín hiệu từ những lỗ đen va chạm với nhau, xây dựng nên một danh mục hiện đã lên tới hàng trăm trường hợp. Tuy nhiên, bất chấp lượng dữ liệu phong phú này, một câu hỏi cơ bản vẫn chưa có lời giải thỏa đáng: Những lỗ đen này thực sự hình thành như thế nào?
Giờ đây, hai nhóm nghiên cứu độc lập đã sử dụng những cách tiếp cận lý thuyết mới để phân tích kỹ lưỡng dữ liệu, và cả hai đều đi đến một kết luận tương tự: Các lỗ đen sáp nhập không tạo thành một nhóm đồng nhất duy nhất mà được phân chia thành những quần thể con riêng biệt, mỗi quần thể mang dấu vết của những cơ chế hình thành khác nhau. Cả hai nghiên cứu đã được công bố trên Physical Review Letters.
Thông tin ẩn giấu
Mỗi khi hai lỗ đen chuyển động xoắn lại gần nhau và sáp nhập, những gợn sóng tạo ra trong không-thời gian sẽ mã hóa thông tin về khối lượng và spin của chúng.
Các nhà thiên văn học có thể xác định những đặc tính này từ tín hiệu sóng hấp dẫn, nhưng bức tranh thu được thường không hoàn chỉnh: Trong khi một số hệ kép được hình thành từ các cặp sao cùng tồn tại và kết thúc vòng đời bên nhau, những hệ khác lại kết hợp với nhau sau đó, bị kéo vào quỹ đạo do những cuộc gặp gỡ ngẫu nhiên trong các môi trường sao đông đúc. Vì hai con đường hình thành này để lại những dấu vết khác biệt tinh tế về khối lượng và spin, việc sàng lọc hàng trăm trường hợp phát hiện để nhận ra các quy luật tổng quát hơn vẫn luôn là một thách thức.
Phát hiện các quần thể con
Nghiên cứu của nhóm thứ nhất, do Cailin Plunkett tại MIT dẫn đầu, đã xây dựng một mô hình tập trung vào hai tham số spin được đo đạc chính xác, qua đó mô tả cách spin của một lỗ đen định hướng so với chuyển động quỹ đạo của nó (một cách dễ hiểu, spin là tham số cho biết về chiều quay). Nghiên cứu thứ hai, do Sharan Banagiri tại Đại học Monash ở Australia dẫn đầu, sử dụng một cách tiếp cận mở hơn, cho phép chính dữ liệu xác định có bao nhiêu nhóm riêng biệt tồn tại mà không giả định trước một kịch bản hình thành cụ thể.
Mặc dù có những điểm xuất phát khác nhau, cả hai nhóm đều xác định được một quần thể gồm các lỗ đen có khối lượng lớn bất thường, khác biệt với phần còn lại, với mỗi lỗ đen có khối lượng xấp xỉ 40 lần khối lượng Mặt Trời hoặc lớn hơn.
Nhóm của Plunkett phát hiện rằng những lỗ đen khối lượng lớn này có spin nhanh và định hướng ngẫu nhiên, phù hợp với các lỗ đen được hình thành từ những vụ sáp nhập trước đó thay vì từ sự sụp đổ của các ngôi sao. Nhóm của Banagiri cũng xác định được một ngưỡng khối lượng tương tự và phát hiện các spin lớn trong nhóm này - mặc dù không tìm thấy dấu hiệu rõ ràng tương tự về nguồn gốc từ các vụ sáp nhập. Điều này khiến việc diễn giải kết quả cần được thực hiện một cách thận trọng.
Làm rõ các ranh giới
Kết hợp lại, những phát hiện này mang đến một trong những bằng chứng mạnh mẽ nhất cho đến nay cho thấy một phần các vụ sáp nhập lỗ đen được quan sát là những sự kiện "thế hệ thứ hai", được tạo thành từ các lỗ đen vốn đã từng trải qua một lần sáp nhập trước đó - thay vì hình thành từ sự suy sụp của các ngôi sao có khối lượng lớn.
Sự phân biệt này cuối cùng có thể giúp giải thích cách các lỗ đen đạt tới một khoảng khối lượng vốn được cho là không thể tồn tại, cũng như cách các "hạt giống" của những lỗ đen siêu nặng ở tâm các thiên hà có thể đã phát triển. Khi các máy dò sóng hấp dẫn ngày càng trở nên nhạy hơn với những hệ đôi khối lượng lớn này, ranh giới giữa các quần thể con có thể sớm trở nên rõ ràng hơn.
Bryan
Theo Phys.org
