Vào ngày 14 tháng 1 năm nay, các nhà khoa học tại Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) đã ghi lại được một sự kiện vũ trụ hiếm hoi nhưng cực kỳ mạnh mẽ: hai lỗ đen va chạm và hợp nhất thành một thực thể duy nhất.
Phát hiện này, được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, không chỉ là một cột mốc trong vật lý thiên văn mà còn là bằng chứng xác thực cho một lý thuyết đã tồn tại hơn nửa thế kỷ, được đưa ra bởi nhà vật lý vĩ đại Stephen Hawking, nhưng chưa bao giờ được chứng minh khi ông còn sống.
Khi các lỗ đen hợp nhất, chúng tạo ra những gợn sóng rung chuyển xuyên không-thời gian mà các máy dò như LIGO có thể “nghe thấy” trên Trái Đất. Giờ đây, một sự kiện hợp nhất mới được phát hiện có thể chứng minh lý thuyết 50 năm tuổi của Stephen Hawking cuối cùng đã đúng.
Chân trời sự kiện: ranh giới không thể lùi
Sóng hấp dẫn, những gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian, được tạo ra bởi các sự kiện cực đoan nhất trong vũ trụ. LIGO, với nhiệm vụ “lắng nghe” những gợn sóng này, đã trở thành công cụ đắc lực để các nhà khoa học xác nhận những dự đoán của Albert Einstein về thuyết tương đối rộng.
Hơn một thập kỷ trước, lần phát hiện sóng hấp dẫn đầu tiên đã mở ra một kỷ nguyên mới của vật lý thiên văn. Giờ đây, với những cải tiến vượt bậc, LIGO có thể phát hiện các vụ sáp nhập lỗ đen khoảng ba ngày một lần, thay vì một tháng một lần như trước đây, theo một tuyên bố từ Caltech, đơn vị cùng điều hành LIGO với MIT.
Trong sự kiện sáp nhập ngày 14 tháng 1, các nhà khoa học đã chứng kiến một hiện tượng kỳ diệu. Trước khi va chạm, tổng diện tích bề mặt của hai lỗ đen là khoảng 243.000 km 2 , gần bằng diện tích bang Oregon của Mỹ.
Sau khi hợp nhất, lỗ đen mới hình thành có diện tích bề mặt khoảng 400.000 km 2 , tương đương diện tích bang California. Điều đáng kinh ngạc là lỗ đen mới này lớn hơn tổng diện tích của hai lỗ đen ban đầu.
Việc phát hiện ra lỗ đen đang lớn lên này đã xác nhận dự đoán mà Hawking đưa ra vào năm 1971: rằng chân trời sự kiện – ranh giới bên ngoài của lỗ đen, nơi không gì có thể thoát ra được sẽ không bao giờ có thể giảm kích thước.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Columbia, một phần của hợp tác LIGO, cho biết trong một tuyên bố riêng: “Mặc dù đây là một tuyên bố rất đơn giản, ‘diện tích chỉ có thể tăng lên,’ nhưng nó lại có ý nghĩa vô cùng to lớn”.
Mối liên kết giữa lỗ đen và nhiệt động lực học
Định lý của Hawking, được gọi là định luật thứ hai của cơ học lỗ đen, có một sự tương đồng sâu sắc với định luật thứ hai của nhiệt động lực học, nói rằng entropy (mức độ hỗn loạn) của một hệ thống kín chỉ có thể tăng theo thời gian. Sự tương đồng này đã thúc đẩy một sự thay đổi mô hình trong vật lý, khiến các nhà khoa học bắt đầu coi lỗ đen là các “vật thể nhiệt động lực học”.
Đồng tác giả nghiên cứu Maximiliano Isi, phó giáo sư tại Đại học Columbia, giải thích rằng phát hiện này càng được củng cố bởi khám phá của Hawking rằng lỗ đen có entropy và phát ra bức xạ do các hiệu ứng lượng tử gần chân trời sự kiện.
“Điều này cho chúng ta biết rằng thuyết tương đối rộng biết đôi điều về bản chất lượng tử của những vật thể này và rằng thông tin, hay entropy, chứa trong một lỗ đen tỷ lệ thuận với diện tích của nó”, Isi chia sẻ.
Đây không phải là lần đầu tiên LIGO kiểm chứng lý thuyết của Hawking. Một quan sát vào năm 2021 đã tạm thời xác nhận dự đoán của ông. Tuy nhiên, kết quả mới này đã “xác nhận kết quả trước đó với độ chính xác cao hơn nhiều” bằng cách kiểm tra cao độ và thời lượng của sóng hấp dẫn được phát ra trong vụ sáp nhập.
Âm thanh vũ trụ và những khám phá mới
Các nhà nghiên cứu có thể đưa ra suy luận về các lỗ đen thông qua sóng hấp dẫn của chúng bởi vì kích thước và hình dạng của lỗ đen ảnh hưởng đến các sóng này, tương tự như cách kích thước và hình dạng của một nhạc cụ ảnh hưởng đến âm thanh mà nó tạo ra. Sự kiện mới được phát hiện, có tên gọi là GW250114, đã tạo ra một tiếng “rung” đặc trưng trong không-thời gian khi lỗ đen mới trở nên ổn định sau vụ va chạm.
“Sự rung chuyển xảy ra khi một lỗ đen bị nhiễu loạn, giống như tiếng chuông reo khi bạn đập vào nó,” đồng tác giả nghiên cứu Katerina Chatziioannou, phó giáo sư vật lý tại Caltech, cho biết. Quá trình “đổ chuông” này đã cho phép các nhà nghiên cứu xác nhận rằng lỗ đen còn lại có diện tích bề mặt lớn hơn tổng diện tích của hai lỗ đen đã kết hợp để tạo thành nó.
Những phát hiện này cũng đồng thời chứng minh một lý thuyết khác được nhà toán học Roy Kerr mô tả khoảng sáu thập kỷ trước, được gọi là metric Kerr. Lý thuyết này mô tả cách các phương trình trường của Einstein trong thuyết tương đối rộng hoạt động trong một lỗ đen quay. Isi giải thích: “Hai lỗ đen có cùng khối lượng và spin là giống hệt nhau về mặt toán học. Điều này rất độc đáo đối với lỗ đen”.
Với hai máy dò ở Hanford, Washington và Livingston, Louisiana, LIGO thường hoạt động cùng với máy giao thoa kế phát hiện sóng hấp dẫn Virgo của châu Âu và Kamioka của Nhật Bản như một phần của Hợp tác Ligo-Virgo-KAGRA (LVK). Khi LIGO-India đi vào hoạt động vào khoảng năm 2030, nó sẽ “cải thiện đáng kể độ chính xác mà mạng lưới LVK có thể định vị các nguồn sóng hấp dẫn,” đại diện Caltech lưu ý.
Các dự án đầy tham vọng khác cũng đang được lên kế hoạch. Cosmic Explorer, một ý tưởng về một giao thoa kế lớn hơn ở Hoa Kỳ, sẽ có các máy dò với “cánh tay” dài gấp 10 lần chiều dài của các đài quan sát LIGO hiện tại (mỗi cánh tay dài 4 km). Châu Âu cũng có một dự án được đề xuất mang tên Kính viễn vọng Einstein, sẽ có một hoặc hai máy dò ngầm với cánh tay dài hơn 10 km. Những dự án này sẽ giúp các nhà khoa học “nghe được những vụ sáp nhập lỗ đen sớm nhất trong vũ trụ”.
Việc xác nhận lý thuyết của Hawking không chỉ là một chiến thắng cho giới vật lý mà còn là một bước tiến lớn trong hành trình của nhân loại nhằm hiểu được những quy luật cơ bản chi phối vũ trụ. Với công nghệ ngày càng tiên tiến, chúng ta đang dần vén màn những bí ẩn sâu thẳm nhất của không-thời gian và khám phá những sự kiện vũ trụ kỳ diệu chưa từng thấy.
Nguồn tin: https://genk.vn/ly-thuyet-50-nam-cua-stephen-hawking-ve-lo-den-cuoi-cung-da-duoc-xac-nhan-20250911112546374.chn
