Chuyện gì đang xảy ra ở tâm lỗ đen? Thuyết tương đối rộng "bó tay", con người phải chờ công cụ khám phá mới

[thuha19051234]

Lỗ đen, cho đến hiện tại vẫn là vật thể bí ẩn nhất trong vũ trụ. Minh chứng cho điều này là các phương trình của thuyết tương đối rộng đang bị phá vỡ khi nghiên cứu về tâm lỗ đen.
Tuy nhiên, một nghiên cứu mới cho thấy, các nhà thiên văn học một ngày nào đó có thể vượt qua thử thách này bằng cách sử dụng sóng hấp dẫn, hòng "nhìn" vào bên trong các lỗ đen đang hợp nhất và tìm hiểu cấu tạo thực sự của chúng.

Thuyết tương đối rộng không áp dụng được với lỗ đen​

Trong thuyết tương đối rộng của Einstein, lỗ đen là vật thể ngăn ánh sáng thoát ra do lực hấp dẫn cực mạnh. Ranh giới của lỗ đen được khoa học gọi là "chân trời sự kiện" - nếu bạn vượt qua ngưỡng đó, bạn không bao giờ thoát ra được. Thuyết tương đối cũng dự đoán, tâm lỗ đen là những điểm có được gọi là điểm kỳ dị.
Sự hiện diện của điểm kỳ dị này khiến các phương trình của thuyết tương đối rộng đang bị phá vỡ, ngăn cản các tính toán tiếp theo. Vì thế, cần phải có một lý thuyết cơ bản hơn, liên quan đến vật lý lượng tử ở cấp độ hạ nguyên tử, có thể mô tả chính xác những gì đang xảy ra ở tâm lỗ đen.

Hiện chưa có bất kỳ lý thuyết lượng tử hoàn chỉnh nào về lực hấp dẫn, nhưng có một số "ứng cử viên" tiềm năng. Chẳng hạn như lý thuyết dự đoán rằng tất cả các hạt trong vũ trụ thực sự được tạo thành từ các dây dao động siêu nhỏ. Hay lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử vòng lặp, nói rằng bản thân không-thời gian được tạo thành từ các khối nhỏ, không thể phân chia giống như pixel trên màn hình máy tính.
Những cách tiếp cận này để có thể thay thế điểm kỳ dị truyền thống ở tâm lỗ đen bằng một thứ khác. Tuy nhiên, khi sự thay thế này được thực hiện, cũng có nghĩa là "chân trời sự kiện" bị loại bỏ. Vì chân trời sự kiện được gây ra bởi lực hấp dẫn vô hạn của điểm kỳ dị. Không có điểm kỳ dị, lực hấp dẫn chỉ đơn thuần là cực kỳ mạnh nhưng vẫn có thể thoát khỏi vùng lân cận của lỗ đen miễn là bạn chạy với vận tốc đủ lớn.

Cách tiếp cận bằng sóng hấp dẫn có thể tiết lộ bí ẩn lỗ đen​

Bí ẩn của lỗ đen có thể sắp được tiết lộ khi chúng ta tiếp cận với sóng hấp dẫn, là những gợn sóng trong không-thời gian có thể được phát hiện bằng các thiết bị nhạy cảm trên Trái Đất, như Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) và các thí nghiệm VIRGO.
Cho đến nay, tất cả các quan sát về sự hợp nhất của lỗ đen đều phù hợp với mô hình lỗ đen cơ bản được dự đoán với thuyết tương đối rộng. Nhưng điều đó có thể thay đổi trong tương lai khi các thế hệ đài quan sát sóng hấp dẫn mới xuất hiện trực tuyến.

Nghiên cứu mới nói rằng điều quan trọng không phải là sóng hấp dẫn phát ra trong quá trình hợp nhất, mà là sóng hấp dẫn phát ra ngay sau đó. Khi quá trình hợp nhất kết thúc và hai lỗ đen trở thành một vật thể duy nhất, khối hợp nhất mới sẽ rung động với một lượng năng lượng cực lớn, giống như tiếng chuông đánh. Giai đoạn "đổ chuông" này có dấu hiệu sóng hấp dẫn riêng biệt.
Bằng việc tìm hiểu những dấu hiệu đó, chúng ta có thể biết lý thuyết lỗ đen nào đúng và lý thuyết nào không. Mỗi mô hình lỗ đen dự đoán sự khác biệt trong sóng hấp dẫn phát ra trong giai đoạn quay vòng, xuất phát từ sự khác biệt trong cấu trúc lỗ đen. Với các cấu trúc lỗ đen khác nhau, các loại sóng hấp dẫn khác nhau phát ra.
Các nhà thiên văn học cũng đang hy vọng thế hệ máy dò sóng hấp dẫn tiếp theo đủ nhạy cảm để phát hiện những thay đổi nhỏ nhất. Nếu đúng như vậy, chúng sẽ làm thay đổi hoàn toàn hiểu biết của loài người về hố đen, tiến tới gỡ rối những bí ẩn sâu xa nhất.

>>>Mặt Trời sắp trở thành "kẻ hủy diệt" Trái Đất?

Nguồn livescience