Sóng hấp dẫn từ lỗ đen có thể tiết lộ bí mật vật chất tối
Các nhà khoa học tại Đại học Amsterdam vừa tạo ra mô hình tương đối tính hoàn chỉnh cho thấy sóng hấp dẫn phát ra từ lỗ đen.
Nghiên cứu có thể mang theo những manh mối ẩn giấu về vật chất tối xung quanh các lỗ đen khối lượng lớn, đồng thời mở ra khả năng sử dụng "dấu vân tay vũ trụ" để lập bản đồ phân bố vật chất tối trong vũ trụ và làm sáng tỏ bản chất cơ bản của nó thông qua sứ mệnh LISA dự kiến phóng năm 2035.
Từ lý thuyết Einstein đến phát hiện vật chất tối
Nghiên cứu mới từ các nhà khoa học tại Đại học Amsterdam phác thảo cách sóng hấp dẫn do lỗ đen tạo ra có thể cung cấp phương pháp phát hiện vật chất tối và tìm hiểu thêm về hành vi của nó. Trọng tâm của nghiên cứu là một mô hình dựa trên thuyết tương đối rộng của Einstein mô tả với độ chính xác cao cách một lỗ đen tương tác với vật chất gần đó.
Rodrigo Vicente, Theophanes K. Karydas và Gianfranco Bertone từ Viện Vật lý UvA và trung tâm GRAPPA về Hấp dẫn và Vật lý Hạt Thiên văn Amsterdam đã báo cáo phát hiện của họ trên tạp chí Physical Review Letters. Nghiên cứu của họ trình bày một phương pháp tinh chỉnh để dự đoán cách vật chất tối gần lỗ đen có thể ảnh hưởng đến sóng hấp dẫn mà các hệ thống này tạo ra.
Nghiên cứu xem xét các hệ thống lún dần tỷ lệ khối lượng cực đại, hay EMRI: các hệ thống trong đó một vật thể compact tương đối nhỏ, ví dụ như một lỗ đen được tạo ra từ sự sụp đổ của một ngôi sao đơn lẻ, quay quanh và dần di chuyển vào phía trong hướng tới một lỗ đen khối lượng lớn hơn nhiều thường nằm ở trung tâm thiên hà. Trong hành trình vào trong này, vật thể nhỏ hơn tạo ra tín hiệu sóng hấp dẫn liên tục.
Các sứ mệnh không gian trong tương lai như ăng-ten không gian LISA của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, dự kiến phóng vào năm 2035, được kỳ vọng sẽ ghi lại những tín hiệu này trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm, theo dõi hàng trăm nghìn đến hàng triệu chu kỳ quỹ đạo. Nếu được mô hình hóa chính xác, những "dấu vân tay vũ trụ" này có thể tiết lộ cách vật chất, đặc biệt là vật chất tối bí ẩn được cho là chiếm phần lớn vật chất trong vũ trụ, được phân bố trong vùng lân cận của các lỗ đen khối lượng lớn.
Khung tương đối tính mới và tiềm năng ứng dụng
Trước khi các sứ mệnh như LISA bắt đầu thu thập dữ liệu, điều quan trọng là phải dự đoán chi tiết loại tín hiệu nào chúng ta nên mong đợi và cách trích xuất càng nhiều thông tin càng tốt từ chúng. Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu đều dựa vào các mô tả đơn giản hóa về cách môi trường ảnh hưởng đến EMRI. Bài báo mới của các nhà vật lý IoP/GRAPPA đã lấp đầy khoảng trống này cho một loạt rộng các môi trường.
Nó cung cấp khung tương đối tính (thuật ngữ "khung tương đối tính" (relativistic framework) được sử dụng để chỉ một mô hình hoặc khuôn khổ lý thuyết hoàn chỉnh dựa trên thuyết tương đối rộng (General Relativity) của Albert Einstein) hoàn chỉnh đầu tiên, có nghĩa là nó sử dụng toàn bộ lý thuyết hấp dẫn của Einstein thay vì các phép gần đúng đơn giản hơn dựa trên hấp dẫn Newton, để mô tả cách môi trường xung quanh một lỗ đen khối lượng lớn thay đổi quỹ đạo của EMRI và sóng hấp dẫn kết quả.
Nghiên cứu tập trung đặc biệt vào các nồng độ dày đặc của vật chất tối, thường được gọi là "gai" hoặc "đống", có thể hình thành xung quanh các lỗ đen khối lượng lớn. Bằng cách nhúng mô tả tương đối tính mới của họ vào các mô hình dạng sóng hiện đại nhất, các tác giả cho thấy các cấu trúc như vậy sẽ để lại dấu ấn có thể đo lường được trên các tín hiệu được ghi lại bởi các máy dò trong tương lai.
Công trình này đại diện cho một bước cơ bản trong một chương trình dài hạn nhằm sử dụng sóng hấp dẫn để lập bản đồ phân bố vật chất tối trong vũ trụ và làm sáng tỏ bản chất cơ bản của nó. Việc phát triển khung lý thuyết chính xác này là điều kiện tiên quyết để các nhà khoa học có thể phân tích đúng đắn dữ liệu sẽ được thu thập từ LISA và các công cụ quan sát tương lai khác.
Ý nghĩa của nghiên cứu vượt xa việc chỉ đơn thuần phát hiện vật chất tối. Bằng cách cung cấp phương pháp chính xác để dự đoán cách môi trường xung quanh lỗ đen ảnh hưởng đến sóng hấp dẫn, công trình này mở ra khả năng kiểm tra các lý thuyết khác nhau về bản chất của vật chất tối. Các mô hình khác nhau về vật chất tối dự đoán các phân bố khác nhau xung quanh lỗ đen, và những khác biệt này sẽ để lại những dấu hiệu riêng biệt trong tín hiệu sóng hấp dẫn mà LISA quan sát được.
Hơn nữa, phương pháp này có thể giúp giải quyết một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý hiện đại. Mặc dù vật chất tối được cho là chiếm khoảng 85% tổng khối lượng vật chất trong vũ trụ, bản chất thực sự của nó vẫn chưa được biết.
Các thí nghiệm trên Trái Đất để phát hiện vật chất tối trực tiếp cho đến nay đã không thành công, khiến các phương pháp quan sát thiên văn trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Sóng hấp dẫn cung cấp một cửa sổ hoàn toàn mới để nghiên cứu vật chất tối trong môi trường cực đoan xung quanh lỗ đen siêu khối lượng, nơi hiệu ứng của nó có thể được khuếch đại và dễ phát hiện hơn.