50 sự kiện sóng hấp dẫn tiết lộ gì về vũ trụ?

Họ đã quan sát 39 sự kiện vũ trụ tạo ra sóng hấp dẫn trong giai đoạn kéo dài 6 tháng của năm 2019 – với một tỉ lệ nhiều hơn một sự kiện mỗi tuần. Đươc miêu tả trong một loạt các bài báo xuất bản vào ngày 28/10, các sự kiện sóng hấp dẫn miêu tả các quan sát dò được những gợn sóng trong không thời gian đó – thông thường do sự sáp nhập giữa hai lỗ đen tạo ra – do được tăng độ nhạy so với lần đầu nhận diện được sóng hấp dẫn năm 2015. Bộ dữ liệu đang lớn dần cũng giúp các nhà thiên văn vẽ bản đồ các sự kiện diễn ra trong lịch sử vũ trụ.

Sóng hấp dẫn gợn sóng trên bề măt không thời gian được tạo ra bằng sự gia tốc của các khối lượng, cụ thể khi hai vật thể có khối lượng cực lớn cuộn xoắn vào nhau và sáp nhập. Các đặc tính chi tiết của chúng đã đem lại vô số những kiểm chứng thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, bao gồm cả một số bằng chứng thuyết phục nhất để xác định thười điểm tồn tại của các lỗ đen. Và thông qua các sóng hấp dẫn này,  các nhà thiên văn đã có được cách mới để quan sát vũ trụ, bước tiếp theo là sóng điện từ và tia vũ trụ.

Dữ liệu mới nhất mới miêu tả các sự kiện quan sát trong suốt hai phần ba quan sát ở LIGO – một cặp máy dò đặt tại Hanford, Washington và Livingston, Louisiana, cũng như đối tác Virgo của nó ở gần Pisa, Italy. Đây là phần thứ hai của các sự kiện vũ trụ mà hai bên hợp tác, tiếp theo đợt hợp tác đầu tiên miêu tả 11 sự kiện dò được và xuất bản vào tháng 12/2018. Về tổng số thì mạng lưới quan sát này đã có được 50 sự kiện quan sát sóng hấp dẫn.

Phần lớn các sự kiện này là kết quả sáp nhập của hai lỗ đen. Các máy dò đã bắt được tín hiệu của một lượng lớn va chạm giữa hai ngôi sao neutron và ít nhất một cuộc sáp nhập giữa một ngôi sao neutron và một lỗ đen. Những sáp nhập bao gồm các sao neutron đều đặc biệt thú vị với các nhà vật lý thiên văn bởi vì họ đã chờ đợi chúng tạo ra tia sáng thông thường cũng như sóng hấp dẫn, vốn xác nhận trong một cuộc sáp nhập sao neutron vào tháng 8/2017. Một số ít các sự kiện ngoạn mục của bộ sưu tập này đã được miêu tả trong các công bố, nó bao gồm sự sáp nhập của hai lỗ đen lớn nhất và một vật thể “không phẳng” – trong hai lỗ đen có khối lượng vô cùng chênh lệch va chạm.

Một khám phá gây ngạc nhiên là các khối lượng của lỗ đen tham gia vào những cuộc sáp nhập đó. Các nhà vật lý thiên văn chờ đợi một giới hạn cân bằng với việc không có lỗ đen nào nặng gấp 45 lần mặt trời. “Giờ đây chúng tôi đang thấy là nó không cân bằng,” Maya Fishbach, một nhà nghiên cứu LIGO tại trường đại học Northwestern ở Evanston, Illinois, nói. Bộ sưu tập này cũng gồm ba sự kiện với khối lượng vượt quá mong đợi, bao gồm một sự kiện loan báo trong tháng 9 với một lỗ đen có khối lượn gấp 85 lần mặt trời.

Sự phong phú của dữ liệu hiện tại cho phép các nhà khoa học của LIGO–Virgo ước tính tỉ lệ tại đó các cuộc sáp nhập lỗ đen xuất hiện trong một thiên hà ở mức trung bình. Đó là tỉ lệ xuất hiện đạt đỉnh trong vòng 8 tỉ năm, dẫn đến một thời kỳ hình thành các ngôi sao – và một số sau đó đã trở thành lỗ đen – tại một mức cao, Fishbach nói.

Bộ sưu tập cũng đem lại thông tin về cách các lỗ đen spin, vốn đóng vai trò quan trọng để hiểu cách các vật thể đó đi vào quỹ  đạo của nhau trước khi chúng sáp nhập. Điều đó cho thấy, trong một số hệ nhị nhân, hai lỗ đen có những trục quay không đồng tâm, vốn chỉ dấu là chúng hình thành một cách hoàn toàn riêng rẽ. Nhưng nhiều hệ nhị phân khác xuất hiện với những trục quay thẳng hàng, vốn là điều mà các nhà vật lý thiên văn chờ đợi khi hai lỗ đen bắt đầu đời sống của chúng như một hệ sao đôi. Hai trường phái này của vật lý thiên văn đều có những kịch bản thú vị và những gì xuất hiện ở hiện tại cho thấy cả hai trương phái đều đúng, Fishbach nói.