Jinu
Intern Writer
Chúng ta vẫn thường nghĩ rằng hố đen chỉ sinh ra khi một ngôi sao khổng lồ chết đi, vụ nổ siêu tân tinh rực rỡ thổi bay lớp vỏ ngoài, để lại lõi co sụp thành một vùng không gian cực kỳ đặc và có lực hấp dẫn mạnh mẽ. Đó là câu chuyện "sách giáo khoa" mà chúng ta vẫn biết về nguồn gốc của hầu hết các hố đen.
Thế nhưng, vũ trụ luôn ẩn chứa những điều bất ngờ, và cách các hố đen hình thành có lẽ còn phức tạp hơn chúng ta tưởng. Những khám phá gần đây từ các đài quan sát sóng hấp dẫn đã tiết lộ hàng trăm vụ sáp nhập hố đen trên khắp vũ trụ. Nhiều người cho rằng chúng đến trực tiếp từ những ngôi sao phát nổ. Tuy nhiên, hố đen cũng có thể sinh ra từ những hố đen nhỏ hơn. Về lý thuyết, sản phẩm của các vụ sáp nhập hố đen trước đó có thể tiếp tục sáp nhập lần nữa, tạo ra một hố đen lớn hơn. Con đường hình thành hố đen "hố đen sinh ra hố đen" này được gọi là "sáp nhập phân cấp" (hierarchical merging).
Giờ đây, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đang phát hiện ra rằng một số lượng đáng kể các hố đen đang sáp nhập có thể đã từng sáp nhập trước đó. Họ đã thực hiện một phân tích mới dữ liệu gần đây từ các đài quan sát LIGO, Virgo và KAGRA, bao gồm 155 cặp hố đen nhị phân. Kết quả cho thấy khoảng 14% các hố đen đang sáp nhập trong vũ trụ có thể là hố đen thế hệ thứ hai, được hình thành từ sự sáp nhập trước đó của hai hố đen nhỏ hơn.
Những phát hiện này, được nhóm nghiên cứu công bố trên tạp chí *Physical Review Letters* tuần này, cho thấy rằng quá trình sáp nhập phân cấp lặp đi lặp lại là một con đường quan trọng để hố đen hình thành. Cailin Plunkett, tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tại Khoa Vật lý của MIT, chia sẻ rằng: "Chúng tôi nhận thấy, đối với một số hố đen đang sáp nhập này, đây không phải là 'lần đầu tiên chúng xuất hiện'. Nhìn chung, các hố đen đang sáp nhập liên tục trong vũ trụ. Câu hỏi về tần suất chúng sáp nhập lặp lại là khá mơ hồ. Giờ đây, chúng ta đang thấy một bức tranh tương đối nhất quán, trong đó có một tỷ lệ đáng kể các hố đen đến từ con đường lặp lại này."
Các đồng tác giả của nghiên cứu bao gồm Salvatore Vitale, phó giáo sư vật lý tại MIT; Thomas Callister từ Đại học Williams; và Michael Zevin từ Cung thiên văn Adler và Đại học Northwestern.
Vậy làm thế nào để chúng ta phân biệt được hố đen "thế hệ đầu tiên" sinh ra từ sao và hố đen "thế hệ thứ hai" từ các vụ sáp nhập? Một dấu hiệu quan trọng nằm ở độ xoay và khối lượng. Khi một ngôi sao khổng lồ co sụp và chết đi, hố đen hình thành sau đó thường có rất ít độ xoay. Bởi vì khi ngôi sao phát nổ, nó mất đi một lượng lớn khối lượng và cả mô men động lượng vốn có. Hố đen còn lại sẽ gần như không xoay.
Ngược lại, khi hai hố đen sáp nhập, vụ va chạm sẽ tạo ra một hố đen thế hệ thứ hai mới, xoay rất nhanh. Giáo sư Vitale cho biết, chúng có thể xoay với tốc độ khoảng 70% tốc độ tối đa có thể. Một cặp hố đen sáp nhập "lệch tâm" – tức là một hố đen có độ xoay và khối lượng cao hơn đáng kể so với hố đen còn lại – sẽ là dấu hiệu cho thấy ít nhất một trong số chúng đến từ vụ va chạm của hai hố đen trước đó.
Các nhà khoa học nghi ngờ rằng các vụ sáp nhập phân cấp thường xảy ra trong các môi trường sao dày đặc, nơi các ngôi sao tập trung quá gần nhau. Trong những môi trường này, nhiều ngôi sao lân cận có thể chết và co sụp thành hố đen, sau đó chúng đủ gần để sáp nhập với nhau, tạo thành hố đen thế hệ thứ hai. Cailin Plunkett giải thích: "Bạn có thể có hàng tấn ngôi sao quay cuồng quanh nhau, và nếu một số ngôi sao khổng lồ phát nổ, chúng sẽ trở thành hố đen. Các hố đen này tiếp tục quay cuồng, có thể bắt giữ lẫn nhau và sáp nhập. Quá trình này có thể lặp lại vô hạn, nhờ vào việc có rất nhiều ngôi sao và hố đen trong môi trường cực kỳ dày đặc này."
Vào năm 2024, các nhà khoa học đã phát hiện hai vụ sáp nhập lệch tâm như vậy trong các tín hiệu được ghi lại bởi các đài quan sát LIGO, Virgo và KAGRA. Các đài quan sát này phát hiện sóng hấp dẫn – những dao động cực nhỏ trong cấu trúc không thời gian – là dư chấn từ các hiện tượng vũ trụ xa xôi, như các vụ va chạm hố đen. Hai tín hiệu sóng hấp dẫn được phát hiện, mang tên GW241011 và GW241110, mỗi tín hiệu có khả năng chứa một hố đen xoay nhanh hơn nhiều so với đối tác của nó. Những vụ sáp nhập phân cấp này được khám phá bằng cách phân tích chi tiết từng tín hiệu để làm rõ khối lượng và độ xoay cụ thể của các hố đen liên quan. Chính công trình này đã truyền cảm hứng cho Plunkett và Vitale thực hiện một cuộc tìm kiếm các vụ sáp nhập phân cấp tương tự bằng cách sử dụng tất cả các tín hiệu sóng hấp dẫn mà các đài quan sát đã thu được cho đến nay.
Trong nghiên cứu mới của mình, nhóm đã phân tích Danh mục Chuyển tiếp Sóng Hấp dẫn LIGO-Virgo-KAGRA 4.0 (GWTC-4.0), bao gồm các phát hiện sóng hấp dẫn từ đợt quan sát thứ tư của các đài quan sát. Thay vì phân tích từng tín hiệu sóng hấp dẫn một cách riêng lẻ, như cách các nhà khoa học đã làm với GW241011 và GW241110, Plunkett và Vitale đã tìm kiếm một mô hình đặc trưng của các vụ sáp nhập phân cấp trên toàn bộ dữ liệu, để xem liệu có tín hiệu phù hợp nào nổi bật hay không.
Mô hình mà họ tìm kiếm đại diện cho một loạt các "dao động quỹ đạo". Ngay trước khi sáp nhập, hai hố đen xoắn ốc về phía nhau trong một mặt phẳng quỹ đạo giống như đĩa. Khi trục xoay của cặp hố đen vuông góc với mặt phẳng này, quỹ đạo sẽ tương đối ổn định. Nhưng khi một hoặc cả hai trục xoay không vuông góc với mặt phẳng, đĩa sẽ dao động. Mức độ dao động của toàn bộ mặt phẳng, hay còn gọi là "tiến động" (precession), có thể cho các nhà khoa học biết về sự cân bằng khối lượng và độ xoay giữa hai hố đen đang xoắn ốc. Plunkett và Vitale đã phát triển một mô hình cho phạm vi dao động mà nên là dấu hiệu của một vụ sáp nhập phân cấp, đặc biệt là giữa một hố đen thế hệ thứ nhất và một hố đen thế hệ thứ hai.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng mô hình này vào toàn bộ danh mục GWTC-4.0, bao gồm các tín hiệu sóng hấp dẫn từ 153 vụ sáp nhập hố đen, cùng với các tín hiệu từ GW241011 và GW241110. Phân tích của họ tiết lộ rằng một số vụ sáp nhập phù hợp với mô hình dao động quỹ đạo, có khả năng gây ra bởi sự va chạm của các hố đen thế hệ thứ nhất và thứ hai.
Cụ thể, họ phát hiện ra rằng khoảng 14% các hố đen đang sáp nhập trong vũ trụ có thể đã sáp nhập trước đó, và những hố đen thế hệ thứ hai này có khối lượng rất đặc biệt. Trong khi các hố đen có khối lượng khoảng 10 khối lượng Mặt Trời và 30 khối lượng Mặt Trời là những hố đen thông thường sinh ra từ sao, thì các hố đen thế hệ thứ hai lại có khối lượng khoảng 20 khối lượng Mặt Trời hoặc từ 40 khối lượng Mặt Trời trở lên.
Cailin Plunkett nhấn mạnh: "Một trong những lý do khiến khối lượng từ 40 trở lên trở nên thú vị là, lý thuyết tiến hóa sao dự đoán rằng bạn không thể hình thành hố đen trong phạm vi khối lượng đó chỉ từ một siêu tân tinh. Chúng tôi nghĩ rằng các siêu tân tinh từ những ngôi sao thực sự khổng lồ cuối cùng sẽ rất dữ dội đến mức chúng không để lại bất kỳ hố đen nào trên khoảng 45 khối lượng Mặt Trời. Tuy nhiên, chúng ta đã thấy những hố đen có khối lượng lớn như vậy. Và câu hỏi đặt ra là: Chúng đến từ đâu?"
Phân tích mới của nhóm nghiên cứu đã củng cố ý tưởng rằng hố đen có thể hình thành từ sự sáp nhập lặp đi lặp lại của các hố đen khác. Câu chuyện nguồn gốc thay thế này có thể giải thích sự tồn tại của một số hố đen kỳ lạ mà chúng ta có thể phát hiện ngày nay, mở ra một chương mới trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Công trình này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ Khoa học Quốc gia và Quỹ Brinson.
Thế nhưng, vũ trụ luôn ẩn chứa những điều bất ngờ, và cách các hố đen hình thành có lẽ còn phức tạp hơn chúng ta tưởng. Những khám phá gần đây từ các đài quan sát sóng hấp dẫn đã tiết lộ hàng trăm vụ sáp nhập hố đen trên khắp vũ trụ. Nhiều người cho rằng chúng đến trực tiếp từ những ngôi sao phát nổ. Tuy nhiên, hố đen cũng có thể sinh ra từ những hố đen nhỏ hơn. Về lý thuyết, sản phẩm của các vụ sáp nhập hố đen trước đó có thể tiếp tục sáp nhập lần nữa, tạo ra một hố đen lớn hơn. Con đường hình thành hố đen "hố đen sinh ra hố đen" này được gọi là "sáp nhập phân cấp" (hierarchical merging).
Giờ đây, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đang phát hiện ra rằng một số lượng đáng kể các hố đen đang sáp nhập có thể đã từng sáp nhập trước đó. Họ đã thực hiện một phân tích mới dữ liệu gần đây từ các đài quan sát LIGO, Virgo và KAGRA, bao gồm 155 cặp hố đen nhị phân. Kết quả cho thấy khoảng 14% các hố đen đang sáp nhập trong vũ trụ có thể là hố đen thế hệ thứ hai, được hình thành từ sự sáp nhập trước đó của hai hố đen nhỏ hơn.
Những phát hiện này, được nhóm nghiên cứu công bố trên tạp chí *Physical Review Letters* tuần này, cho thấy rằng quá trình sáp nhập phân cấp lặp đi lặp lại là một con đường quan trọng để hố đen hình thành. Cailin Plunkett, tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tại Khoa Vật lý của MIT, chia sẻ rằng: "Chúng tôi nhận thấy, đối với một số hố đen đang sáp nhập này, đây không phải là 'lần đầu tiên chúng xuất hiện'. Nhìn chung, các hố đen đang sáp nhập liên tục trong vũ trụ. Câu hỏi về tần suất chúng sáp nhập lặp lại là khá mơ hồ. Giờ đây, chúng ta đang thấy một bức tranh tương đối nhất quán, trong đó có một tỷ lệ đáng kể các hố đen đến từ con đường lặp lại này."
Các đồng tác giả của nghiên cứu bao gồm Salvatore Vitale, phó giáo sư vật lý tại MIT; Thomas Callister từ Đại học Williams; và Michael Zevin từ Cung thiên văn Adler và Đại học Northwestern.
Vậy làm thế nào để chúng ta phân biệt được hố đen "thế hệ đầu tiên" sinh ra từ sao và hố đen "thế hệ thứ hai" từ các vụ sáp nhập? Một dấu hiệu quan trọng nằm ở độ xoay và khối lượng. Khi một ngôi sao khổng lồ co sụp và chết đi, hố đen hình thành sau đó thường có rất ít độ xoay. Bởi vì khi ngôi sao phát nổ, nó mất đi một lượng lớn khối lượng và cả mô men động lượng vốn có. Hố đen còn lại sẽ gần như không xoay.
Ngược lại, khi hai hố đen sáp nhập, vụ va chạm sẽ tạo ra một hố đen thế hệ thứ hai mới, xoay rất nhanh. Giáo sư Vitale cho biết, chúng có thể xoay với tốc độ khoảng 70% tốc độ tối đa có thể. Một cặp hố đen sáp nhập "lệch tâm" – tức là một hố đen có độ xoay và khối lượng cao hơn đáng kể so với hố đen còn lại – sẽ là dấu hiệu cho thấy ít nhất một trong số chúng đến từ vụ va chạm của hai hố đen trước đó.
Các nhà khoa học nghi ngờ rằng các vụ sáp nhập phân cấp thường xảy ra trong các môi trường sao dày đặc, nơi các ngôi sao tập trung quá gần nhau. Trong những môi trường này, nhiều ngôi sao lân cận có thể chết và co sụp thành hố đen, sau đó chúng đủ gần để sáp nhập với nhau, tạo thành hố đen thế hệ thứ hai. Cailin Plunkett giải thích: "Bạn có thể có hàng tấn ngôi sao quay cuồng quanh nhau, và nếu một số ngôi sao khổng lồ phát nổ, chúng sẽ trở thành hố đen. Các hố đen này tiếp tục quay cuồng, có thể bắt giữ lẫn nhau và sáp nhập. Quá trình này có thể lặp lại vô hạn, nhờ vào việc có rất nhiều ngôi sao và hố đen trong môi trường cực kỳ dày đặc này."
Vào năm 2024, các nhà khoa học đã phát hiện hai vụ sáp nhập lệch tâm như vậy trong các tín hiệu được ghi lại bởi các đài quan sát LIGO, Virgo và KAGRA. Các đài quan sát này phát hiện sóng hấp dẫn – những dao động cực nhỏ trong cấu trúc không thời gian – là dư chấn từ các hiện tượng vũ trụ xa xôi, như các vụ va chạm hố đen. Hai tín hiệu sóng hấp dẫn được phát hiện, mang tên GW241011 và GW241110, mỗi tín hiệu có khả năng chứa một hố đen xoay nhanh hơn nhiều so với đối tác của nó. Những vụ sáp nhập phân cấp này được khám phá bằng cách phân tích chi tiết từng tín hiệu để làm rõ khối lượng và độ xoay cụ thể của các hố đen liên quan. Chính công trình này đã truyền cảm hứng cho Plunkett và Vitale thực hiện một cuộc tìm kiếm các vụ sáp nhập phân cấp tương tự bằng cách sử dụng tất cả các tín hiệu sóng hấp dẫn mà các đài quan sát đã thu được cho đến nay.
Trong nghiên cứu mới của mình, nhóm đã phân tích Danh mục Chuyển tiếp Sóng Hấp dẫn LIGO-Virgo-KAGRA 4.0 (GWTC-4.0), bao gồm các phát hiện sóng hấp dẫn từ đợt quan sát thứ tư của các đài quan sát. Thay vì phân tích từng tín hiệu sóng hấp dẫn một cách riêng lẻ, như cách các nhà khoa học đã làm với GW241011 và GW241110, Plunkett và Vitale đã tìm kiếm một mô hình đặc trưng của các vụ sáp nhập phân cấp trên toàn bộ dữ liệu, để xem liệu có tín hiệu phù hợp nào nổi bật hay không.
Mô hình mà họ tìm kiếm đại diện cho một loạt các "dao động quỹ đạo". Ngay trước khi sáp nhập, hai hố đen xoắn ốc về phía nhau trong một mặt phẳng quỹ đạo giống như đĩa. Khi trục xoay của cặp hố đen vuông góc với mặt phẳng này, quỹ đạo sẽ tương đối ổn định. Nhưng khi một hoặc cả hai trục xoay không vuông góc với mặt phẳng, đĩa sẽ dao động. Mức độ dao động của toàn bộ mặt phẳng, hay còn gọi là "tiến động" (precession), có thể cho các nhà khoa học biết về sự cân bằng khối lượng và độ xoay giữa hai hố đen đang xoắn ốc. Plunkett và Vitale đã phát triển một mô hình cho phạm vi dao động mà nên là dấu hiệu của một vụ sáp nhập phân cấp, đặc biệt là giữa một hố đen thế hệ thứ nhất và một hố đen thế hệ thứ hai.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng mô hình này vào toàn bộ danh mục GWTC-4.0, bao gồm các tín hiệu sóng hấp dẫn từ 153 vụ sáp nhập hố đen, cùng với các tín hiệu từ GW241011 và GW241110. Phân tích của họ tiết lộ rằng một số vụ sáp nhập phù hợp với mô hình dao động quỹ đạo, có khả năng gây ra bởi sự va chạm của các hố đen thế hệ thứ nhất và thứ hai.
Cụ thể, họ phát hiện ra rằng khoảng 14% các hố đen đang sáp nhập trong vũ trụ có thể đã sáp nhập trước đó, và những hố đen thế hệ thứ hai này có khối lượng rất đặc biệt. Trong khi các hố đen có khối lượng khoảng 10 khối lượng Mặt Trời và 30 khối lượng Mặt Trời là những hố đen thông thường sinh ra từ sao, thì các hố đen thế hệ thứ hai lại có khối lượng khoảng 20 khối lượng Mặt Trời hoặc từ 40 khối lượng Mặt Trời trở lên.
Cailin Plunkett nhấn mạnh: "Một trong những lý do khiến khối lượng từ 40 trở lên trở nên thú vị là, lý thuyết tiến hóa sao dự đoán rằng bạn không thể hình thành hố đen trong phạm vi khối lượng đó chỉ từ một siêu tân tinh. Chúng tôi nghĩ rằng các siêu tân tinh từ những ngôi sao thực sự khổng lồ cuối cùng sẽ rất dữ dội đến mức chúng không để lại bất kỳ hố đen nào trên khoảng 45 khối lượng Mặt Trời. Tuy nhiên, chúng ta đã thấy những hố đen có khối lượng lớn như vậy. Và câu hỏi đặt ra là: Chúng đến từ đâu?"
Phân tích mới của nhóm nghiên cứu đã củng cố ý tưởng rằng hố đen có thể hình thành từ sự sáp nhập lặp đi lặp lại của các hố đen khác. Câu chuyện nguồn gốc thay thế này có thể giải thích sự tồn tại của một số hố đen kỳ lạ mà chúng ta có thể phát hiện ngày nay, mở ra một chương mới trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Công trình này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ Khoa học Quốc gia và Quỹ Brinson.
