Phát hiện sóng hấp dẫn xác nhận 'tiên tri' của Einstein và Hawking về hố đen

Các nhà khoa học vừa ghi nhận tín hiệu sóng hấp dẫn chi tiết nhất từ vụ va chạm hố đen, qua đó lần đầu tiên xác nhận hai dự đoán quan trọng của Einstein và Hawking về hố đen là chính xác.

Hố đen (hay lỗ đen), những "quái vật vũ trụ" có lực hấp dẫn cực mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra, từ lâu đã trở thành đề tài hấp dẫn giới khoa học. 

Dù xuất hiện trong các công trình lý thuyết của Albert Einstein hơn một thế kỷ trước và được Stephen Hawking nghiên cứu sâu trong thế kỷ 20, hố đen vẫn là chủ đề khó tiếp cận nhất trong vũ trụ vì bản chất "vô hình" của chúng.

Sóng hấp dẫn: chìa khóa mở cánh cửa nghiên cứu hố đen

Năm 2015, Đài quan trắc sóng hấp dẫn LIGO (Mỹ) lần đầu tiên ghi nhận được sóng hấp dẫn, những gợn sóng trong không, thời gian do hai hố đen va chạm từ rất xa trong vũ trụ. Phát hiện này được ví như "mở một giác quan mới" để quan sát vũ trụ, và cũng đem lại cơ hội trực tiếp kiểm chứng các lý thuyết về hố đen.

Tuy nhiên dữ liệu ban đầu chưa đủ chi tiết để xác nhận hai dự đoán quan trọng.

Một là Thuyết Kerr của Einstein. Theo thuyết tương đối rộng, hố đen chỉ có thể được mô tả bởi hai đặc tính cơ bản: khối lượng và độ quay (spin). Tất cả những đặc điểm khác đều "biến mất" khi rơi vào hố đen, được gọi là "định lý không tóc".

Hai là Định lý diện tích của Hawking. Stephen Hawking vào năm 1971 dự đoán rằng diện tích đường chân trời sự kiện của hố đen, ranh giới không gì có thể thoát ra, chỉ có thể giữ nguyên hoặc tăng theo thời gian, không bao giờ giảm. 

Đây được xem như một nguyên lý tương tự định luật thứ hai của nhiệt động lực học, vốn khẳng định entropy (mức độ hỗn loạn) của vũ trụ luôn tăng.

Bước đột phá sau một thập kỷ

Theo Sciencedaily, mới đây nhóm hợp tác quốc tế LIGO-Virgo-KAGRA đã công bố kết quả nghiên cứu mới trên tạp chí Physical Review Letters. Họ ghi nhận tín hiệu sóng hấp dẫn chi tiết nhất từ trước đến nay, xuất phát từ vụ va chạm của hai hố đen (sự kiện GW250114), tạo thành một hố đen khổng lồ có khối lượng gấp 63 lần Mặt trời và quay tới 100 vòng mỗi giây.

Nhờ công nghệ cải tiến vượt bậc, các nhà khoa học lần đầu tiên có được "bức tranh toàn cảnh" cả trước và sau khi hai hố đen hợp nhất. Từ dữ liệu này, họ đã xác nhận đồng thời hai giả thuyết:

Hố đen thực sự được mô tả chính xác bằng khối lượng và độ quay, đúng như tiên đoán từ thuyết tương đối rộng của Einstein.

Diện tích đường chân trời sự kiện chỉ tăng lên sau vụ hợp nhất, đúng như định lý diện tích của Hawking.

Từ hố đen đến bản chất vũ trụ

Việc chứng minh định lý của Hawking cho thấy sự tương đồng kỳ lạ giữa hố đen và nhiệt động lực học. Nói cách khác, sự tăng trưởng của diện tích hố đen giống như sự gia tăng của entropy, hàm ý rằng hố đen có thể là "cửa sổ toán học" giúp chúng ta hiểu sâu hơn về bản chất không, thời gian và cả nỗ lực lớn nhất của vật lý hiện đại: hợp nhất thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử thành thuyết hấp dẫn lượng tử.

Astrophysicist Maximiliano Isi, thành viên nhóm nghiên cứu, nhận định: "Đây là bằng chứng rõ ràng nhất từ trước đến nay rằng các hố đen ngoài vũ trụ thực sự giống với những gì Einstein mô tả trong lý thuyết. Việc diện tích hố đen tuân thủ quy luật giống entropy mang hàm ý rất sâu sắc về bản chất của vũ trụ".

Trong thập kỷ tới, các máy dò sóng hấp dẫn sẽ nhạy gấp 10 lần hiện nay. Dự án kế nhiệm kính viễn vọng không gian Laser Interferometer Space Antenna đang được xây dựng, hứa hẹn bắt sóng những rung động từ các hố đen siêu khối ở trung tâm thiên hà.