Phát hiện ‘người khổng lồ vô hình’ ẩn mình sau hố đen đôi

Sự hợp nhất của lỗ đen nhị phân gần một lỗ đen siêu lớn. Nguồn: SHAO

Hố đen nhị phân hay hố đen đôi vốn đã là một trong những hiện tượng bí ẩn nhất vũ trụ, nhưng các nhà khoa học tại Đài quan sát Thiên văn Thượng Hải (SHAO) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc mới đây phát hiện bằng chứng cho thấy chúng có thể không đơn độc. Một số hệ thống hố đen đôi có khả năng chịu sự chi phối từ một “người bạn đồng hành khổng lồ” bí ẩn gần đó.

Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Wenbiao Han tại SHAO dẫn đầu đã báo cáo dấu hiệu cho thấy sự kiện hợp nhất lỗ đen đôi GW190814 nhiều khả năng diễn ra dưới tác động hấp dẫn của một vật thể thứ ba - có thể chính là một hố đen siêu lớn.

Kết quả nghiên cứu, được công bố trên Tạp chí Astrophysical Journal Letters, cung cấp những manh mối quan trọng nhằm giải mã nguồn gốc của hố đen đôi.

Sự kiện sóng hấp dẫn được phát hiện bởi dự án hợp tác LIGO-Virgo-KAGRA. Nguồn: SHAO

Từ năm 2015 đến nay, dự án hợp tác LIGO-Virgo-KAGRA đã ghi nhận hơn 100 sự kiện sóng hấp dẫn, chủ yếu bắt nguồn từ các vụ hợp nhất hố đen đôi. Dù đã góp phần nâng cao hiểu biết về vật lý vũ trụ, cơ chế hình thành và phát triển của chúng vẫn chưa được giải thích đầy đủ.

Trước đó, nhóm của Tiến sĩ Han đã đề xuất mô hình “b-EMRI”, mô tả kịch bản một hố đen siêu lớn “bắt giữ” hố đen đôi, hình thành hệ thống ba tầng bậc. Trong cấu trúc này, cặp hố đen đôi quay quanh hố đen siêu lớn và phát ra sóng hấp dẫn ở nhiều dải tần số. Mô hình từng được đưa vào sách trắng của LISA và xác định là mục tiêu nghiên cứu quan trọng cho các đài quan sát sóng hấp dẫn không gian của Trung Quốc. Từ đó, các nhà khoa học liên tục tìm kiếm trong dữ liệu LIGO-Virgo dấu hiệu hợp nhất hố đen đôi gần hố đen siêu lớn.

Khi phân tích dữ liệu của GW190814, các nhà nghiên cứu phát hiện hai hố đen hợp nhất có tỷ lệ khối lượng chênh lệch gần 10:1. Theo đồng tác giả, Tiến sĩ Shucheng Yang, sự mất cân bằng này nhiều khả năng cho thấy cặp hố đen từng là thành phần của một hệ ba, với hố đen siêu khối lượng kéo chúng lại gần nhau qua tương tác hấp dẫn. Một giả thuyết khác là chúng hình thành bên trong đĩa bồi tụ của một nhân thiên hà đang hoạt động, nơi lực hấp dẫn của các vật thể đặc thúc đẩy quá trình hợp nhất.

Các nhà khoa học nhận định, nếu hố đen đôi hợp nhất gần một vật thể đặc thứ ba, quỹ đạo xoay quanh vật thể này sẽ tạo ra gia tốc theo đường ngắm - tức gia tốc dọc theo hướng nhìn của người quan sát. Gia tốc này làm thay đổi tần số sóng hấp dẫn qua hiệu ứng Doppler, để lại “dấu vân tay” trong tín hiệu.

Để xác định, nhóm nghiên cứu đã phát triển mẫu dạng sóng hấp dẫn có tích hợp yếu tố gia tốc đường ngắm và áp dụng phân tích Bayes cho một số sự kiện có tín hiệu mạnh. Kết quả cho thấy với GW190814, mô hình có gia tốc đường ngắm vượt trội hơn hẳn so với giả thuyết hố đen nhị phân cô lập.

Gia tốc này được ước tính khoảng 0,002 c/s-1 (mức độ tin cậy 90%, với c là tốc độ ánh sáng), hệ số Bayes đạt 58:1 - một bằng chứng mạnh mẽ khẳng định sự tồn tại của gia tốc theo đường ngắm.

“Đây là bằng chứng quốc tế đầu tiên về sự hiện diện của một vật thể đặc thứ ba trong sự kiện hợp nhất hố đen đôi”, Tiến sĩ Han nhấn mạnh. “Phát hiện này chỉ ra rằng hố đen đôi trong GW190814 có thể là một phần của hệ thống phức tạp, thay vì hình thành độc lập, mở ra góc nhìn mới về cơ chế tạo thành hố đen đôi”.

Trong tương lai, khi các thế hệ máy dò sóng hấp dẫn mới như Kính viễn vọng Einstein, Cosmic Explorer hay các thiết bị không gian LISA, Taiji, TianQin đi vào hoạt động, giới khoa học kỳ vọng có thể phát hiện những biến đổi nhỏ trong tín hiệu với độ chính xác cao. Điều đó sẽ giúp con người giải mã thêm nhiều sự kiện như GW190814, tiến gần hơn tới việc lý giải quá trình hình thành và tiến hóa của hố đen đôi.