Phát hiện mở ra kỷ nguyên mới trong thiên văn học

Đó chính là khám phá đầu tiên về sóng hấp dẫn. Nó đã chứng minh cho dự đoán then chốt của thuyết tương đối rộng của Einstein. Mới đây, một phát hiện mới về sóng hấp dẫn đã kiểm chứng một lý thuyết của Stephen Hawking - một “người khổng lồ” khác trong lĩnh vực thiên văn học.

Sóng hấp dẫn là gì?

Sóng hấp dẫn là những "gợn sóng" trong cấu trúc không - thời gian, lan truyền với tốc độ ánh sáng. Chúng được tạo ra bởi các vật thể có khối lượng lớn được gia tốc cực cao, chẳng hạn như các hố đen va chạm hoặc sự hợp nhất của các tàn dư sao lớn được gọi là sao neutron.

Những gợn sóng lan truyền trong vũ trụ này lần đầu tiên được quan sát trực tiếp vào ngày 14 tháng 9 năm 2015 bởi hai máy dò của Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) ở Mỹ.

Tín hiệu đầu tiên đó, được gọi là GW150914, bắt nguồn từ vụ va chạm của hai hố đen, mỗi hố đen có khối lượng gấp hơn 30 lần Mặt Trời và cách Trái Đất hơn một tỷ năm ánh sáng.

Đây là bằng chứng trực tiếp đầu tiên về sóng hấp dẫn, đúng như dự đoán của thuyết tương đối của Einstein 100 năm trước đó. Bằng khám phá này, ba nhà khoa học Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2017.

Mô phỏng cho thấy sóng hấp dẫn được tạo ra bởi hai hố đen quay quanh nhau (Video: MPI).

Hàng trăm tín hiệu trong vòng chưa đầy một thập kỷ

Kể từ năm 2015, hơn 300 sóng hấp dẫn đã được LIGO quan sát, cùng với các máy dò Virgo của Ý và KAGRA của Nhật Bản.

Chỉ vài tuần trước, dự án hợp tác quốc tế LIGO/Virgo/KAGRA đã công bố kết quả mới nhất từ lần quan sát thứ tư của họ, nâng số lượng sóng hấp dẫn đã biết lên hơn gấp đôi.

Mười năm sau khám phá đầu tiên, mới đây một nhóm hợp tác quốc tế bao gồm các nhà khoa học Úc từ Trung tâm Khám phá Sóng hấp dẫn (OzGrav) thuộc Hội đồng Nghiên cứu Úc đã công bố một tín hiệu sóng hấp dẫn mới, GW250114.

Tín hiệu này gần như là bản sao hoàn hảo của tín hiệu sóng hấp dẫn đầu tiên mang mã GW150914.

Phát hiện mở ra kỷ nguyên mới trong thiên văn học - 2 — Sóng hấp dẫn GW250114 quan sát được (LVK 2025). Dữ liệu quan sát được hiển thị bằng màu xám nhạt. Đường cong màu xanh lam mượt mà thể hiện mô hình dạng sóng lý thuyết phù hợp nhất, cho thấy sự phù hợp tuyệt vời với tín hiệu quan sát được.

Vụ va chạm hố đen gây ra GW250114 có các đặc tính vật lý rất giống với GW150914. Tuy nhiên, nhờ những nâng cấp đáng kể cho các máy dò sóng hấp dẫn trong mười năm qua, tín hiệu mới được nhìn thấy rõ ràng hơn nhiều (mạnh hơn gần bốn lần so với GW150914).

Điều thú vị là nó cho phép chúng ta kiểm chứng những ý tưởng của một nhà vật lý tiên phong khác. Đó chính là Stephen Hawking.

Hawking cũng nói đúng

Hơn 50 năm trước, hai nhà vật lý Stephen Hawking và Jacob Bekenstein đã xây dựng một bộ định luật mô tả hố đen.

Định luật thứ hai của Hawking về cơ học hố đen, còn được gọi là định lý diện tích Hawking, nói rằng diện tích chân trời sự kiện của một hố đen phải luôn tăng. Nói cách khác, hố đen không thể co lại.

Trong khi đó, Bekenstein đã chứng minh rằng diện tích của một hố đen liên quan trực tiếp đến entropy (hay mức độ hỗn loạn) của nó. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học cho chúng ta biết rằng entropy phải luôn tăng: vũ trụ luôn trở nên hỗn loạn hơn. Vì entropy của một hố đen cũng phải tăng theo thời gian, nên nó cho chúng ta biết rằng diện tích của nó cũng phải tăng.

Làm thế nào chúng ta có thể kiểm tra những ý tưởng này? Hóa ra, va chạm giữa các hố đen là công cụ hoàn hảo. Độ chính xác của phép đo mới cho phép các nhà khoa học thực hiện phép thử chính xác nhất cho định lý diện tích của Hawking cho đến nay.

Các thử nghiệm trước đây sử dụng phát hiện đầu tiên GW15091 cho thấy tín hiệu này phù hợp với định luật Hawking, nhưng không thể xác nhận một cách chắc chắn.

Hố đen là những vật thể đơn giản đến ngạc nhiên. Diện tích chân trời của một hố đen phụ thuộc vào khối lượng và sự xoay của nó, những thông số duy nhất cần thiết để mô tả một hố đen thiên văn. Đổi lại, khối lượng và sự xoay quyết định hình dạng của sóng hấp dẫn.

Bằng cách đo riêng biệt khối lượng và spin của cặp hố đen đang tiến vào, và so sánh chúng với khối lượng và spin của hố đen cuối cùng còn sót lại sau vụ va chạm, các nhà khoa học đã có thể so sánh diện tích của hai hố đen va chạm riêng lẻ với diện tích của hố đen cuối cùng.

Dữ liệu cho thấy sự phù hợp tuyệt vời với dự đoán lý thuyết rằng diện tích sẽ tăng lên, củng cố mạnh mẽ cho định luật Hawking.

Các quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai sẽ cho phép chúng ta kiểm chứng những lý thuyết khoa học kỳ lạ hơn, và thậm chí có thể thăm dò bản chất của những thành phần còn thiếu của vũ trụ là vật chất tối và năng lượng tối.

Nguồn: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/phat-hien-mo-ra-ky-nguyen-moi-trong-thien-van-hoc-20250930235223429.htm