Hai lỗ đen sáp nhập

Hai lỗ đen xoắn ốc lại gần nhau, làm rung chuyển chính không gian và được nghe thấy trên Trái Đất 1,3 tỷ năm sau như thế nào

Xem trong 3D

Từng bước

Một cặp lỗ đen

Mỗi lỗ đen là phần còn lại của một ngôi sao nặng. Chân trời của lỗ lớn rộng khoảng 210 km, của lỗ nhỏ khoảng 170 km, không lớn hơn một thành phố; vậy mà quanh mỗi lỗ, ánh sáng của các ngôi sao phía sau bị bẻ cong thành những cung và vòng. Hai lỗ đen như thế bắt đầu quay quanh nhau bằng cách nào vẫn còn đang tranh luận: có thể chúng sinh ra từ một cặp sao khổng lồ, hoặc gặp nhau trong một cụm sao đông đúc.

Không có gì đẩy chúng từ bên ngoài. Quỹ đạo của chúng mất năng lượng vào những gợn sóng mà nó tạo ra trong chính không gian, nên co lại, lúc đầu chậm, rồi ngày càng nhanh. Ở khoảng cách này, chúng còn khoảng năm mươi phút.

Gợn sóng trong không gian

Khi quay, chúng làm rung chuyển chính không gian. Sóng hấp dẫn lan ra với tốc độ ánh sáng, kéo giãn không gian theo một hướng và nén nó theo hướng kia, hai lần mỗi vòng.

Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein đã tiên đoán những sóng này vào năm 1916. Mọi khối lượng thay đổi chuyển động đều phát ra chúng, nhưng chỉ những khối lượng khổng lồ chuyển động rất nhanh mới tạo ra sóng đủ mạnh để đáng kể. Ở đây chúng được vẽ trên mặt phẳng quỹ đạo, màu vàng kim nơi không gian bị kéo giãn và màu xanh nơi bị nén; mỗi phần cho thấy cặp lỗ đen đang làm gì khi phần sóng ấy lên đường.

Sóng mang năng lượng đi, và năng lượng ấy lấy từ quỹ đạo. Dù vậy, ngay cả ở cách một triệu kilômét, chúng chỉ kéo giãn không gian khoảng một phần triệu. Những sóng chậm này, lên xuống khoảng một lần mỗi giây, quá chậm để bất kỳ máy dò nào trên Trái Đất cảm nhận được.

Ngày càng nhanh

Thời gian được tua nhanh: khi co lại, quỹ đạo nhanh dần và sóng mạnh lên. Trong năm mươi phút cuối, hai lỗ đen tiến lại từ cách nhau 10.000 km xuống còn khoảng 900 km, quay 17 vòng mỗi giây.

Hai lỗ càng gần thì chuyển động càng nhanh và sóng phát ra càng mạnh, nên quỹ đạo mất năng lượng càng nhanh hơn nữa. Vòng xoắn tự tăng tốc: phần lớn năm mươi phút này trôi qua trong những vòng rộng và chậm, còn nghìn kilômét cuối cùng mất chưa tới một phần ba giây.

Cao độ của sóng gấp đôi số vòng quay mỗi giây của quỹ đạo. Khi nó vượt khoảng 30 dao động mỗi giây, đủ nhanh để máy dò LIGO cảm nhận, hai lỗ đen đang chuyển động so với nhau với một phần ba tốc độ ánh sáng.

Một phần năm giây cuối cùng

Làm chậm khoảng bảy mươi lần: trong một phần năm giây cuối cùng, hai lỗ đen quay thêm năm vòng và tiến lại gần đến khoảng 320 km, với tốc độ hơn một nửa tốc độ ánh sáng.

Đây là phần sóng mà LIGO nghe thấy: khoảng mười dao động trong một phần năm giây, cao độ tăng từ khoảng 35 lên 150 dao động mỗi giây và cường độ không ngừng tăng. Khi chuyển thành âm thanh, nó vút lên như tiếng chim hót, nên các nhà khoa học gọi nó là "chirp" (tiếng líu lo).

Ở gần nhau như vậy, hai lỗ đen bẻ cong không gian mạnh đến mức các công thức đơn giản của vòng xoắn không còn đúng. Chỉ các siêu máy tính giải phương trình Einstein mới theo được chúng đến cùng. Các nhà khoa học tìm ra khối lượng, 36 và 29 Mặt Trời, bằng cách so sánh số đo của LIGO với hàng nghìn mô phỏng như vậy.

Hai hòa làm một

Hai chân trời chạm nhau và hòa làm một. Khối lượng bằng ba Mặt Trời nay đã biến thành sóng hấp dẫn, phần lớn trong một phần năm giây cuối cùng; ở đỉnh, sóng mang công suất lớn hơn tất cả các ngôi sao trong vũ trụ quan sát được.

Ở đỉnh, sóng mang đi khoảng 3,6 × 10⁴⁹ oát, gấp khoảng năm mươi lần ánh sáng của mọi ngôi sao trong vũ trụ quan sát được cộng lại, dù chỉ trong vài phần nghìn giây. Tổng cộng, 36 và 29 Mặt Trời đã thành một lỗ đen 62: ba phần còn thiếu đã ra đi dưới dạng sóng.

Bản thân sự sáp nhập được vẽ đơn giản ở đây. Các mô phỏng siêu máy tính cho thấy điều thật sự xảy ra: hai chân trời nối thành một chân trời méo mó, rồi nhanh chóng lấy lại hình dạng. Suốt quá trình ấy không gì thoát ra ngoài ngoài sóng: hai lỗ đen sáp nhập trong không gian trống hoàn toàn không phát ra ánh sáng.

Một lỗ đen

Còn lại là một lỗ đen 62 Mặt Trời, chân trời của nó quay khoảng 100 lần mỗi giây. Nó ngân lên như một chiếc chuông bị gõ, khoảng 250 dao động mỗi giây, rồi gần như lập tức im bặt.

Tiếng ngân ấy là chân trời mới đang lấy lại hình dạng. Cao độ và độ nhanh tắt dần của nó chỉ phụ thuộc vào khối lượng và độ quay của lỗ đen, đúng như thuyết tương đối rộng tiên đoán, và điều LIGO nghe được khớp với điều đó.

Năm 1971, Stephen Hawking chứng minh rằng tổng diện tích chân trời của các lỗ đen không bao giờ giảm. Ở đây hai chân trời cộng lại khoảng 230.000 km²; chân trời mới khoảng 370.000 km², lớn hơn, dù đã mất khối lượng bằng ba Mặt Trời. Năm 2025, một vụ sáp nhập được nghe rõ hơn, GW250114, đã xác nhận điều này rõ ràng hơn bao giờ hết.

Ra vũ trụ

Sóng lao ra xa với tốc độ ánh sáng, yếu dần khi lan rộng. Chỉ hơn một giây, chúng đã đi hết khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng; trong tám phút, từ Trái Đất đến Mặt Trời.

Cường độ của chúng giảm tỉ lệ với khoảng cách: xa gấp mười, yếu gấp mười. Không như ánh sáng, chúng xuyên qua sao, khí và bụi như thể không có gì, nên đến nơi y như lúc khởi hành, chỉ yếu hơn.

Chúng đã đi 1,3 tỷ năm. Khi chúng lên đường, sự sống trên Trái Đất phần lớn vẫn là đơn bào. Trên đường đi, vũ trụ giãn nở và kéo giãn cả chúng: chúng đến nơi dài hơn 9% và trầm hơn so với lúc khởi hành, điều các nhà khoa học tính đến khi xác định khối lượng.

LIGO nghe thấy

Lúc 09:50:45 UTC ngày 14 tháng 9 năm 2015, sóng quét qua Trái Đất từ phía bầu trời phương nam. Máy dò LIGO ở Livingston, Louisiana cảm nhận chúng trước; máy ở Hanford, Washington, cách 3.000 km, cảm nhận sau đó 7 phần nghìn giây.

Mỗi máy dò LIGO là một chữ L gồm hai cánh tay dài 4 km, trong đó ánh sáng laser chạy tới chạy lui. Sóng đi qua kéo giãn một cánh tay trong khi nén cánh tay kia; ở đỉnh, chiều dài các cánh tay này thay đổi khoảng một phần nghìn bề rộng một proton, và LIGO đã đo được.

Vì sóng truyền với tốc độ ánh sáng, 7 ms giữa hai máy dò đã đặt nguồn sóng trên một vòng tròn ở bầu trời phương nam; hai máy dò không thể cho biết thêm. Khi ấy nước Mỹ đang là ban đêm: 4:50 sáng ở Louisiana. Ở đây thời gian chạy chậm khoảng sáu mươi lần.

Hàng trăm lần nữa

Đó là lần đầu tiên con người phát hiện sóng hấp dẫn, một thế kỷ sau khi Einstein tiên đoán chúng. Đến năm 2025, các máy dò đã nghe khoảng 300 vụ sáp nhập lỗ đen, cứ vài ngày một lần.

Khám phá này mang về cho Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne giải Nobel Vật lý năm 2017. Giờ đây LIGO lắng nghe cùng Virgo ở Ý và KAGRA ở Nhật Bản: với ba máy dò trở lên, vị trí nguồn trên bầu trời được xác định chính xác hơn nhiều.

Cặp nặng nhất được nghe cho đến nay, GW231123, tạo thành một lỗ đen khoảng 225 Mặt Trời. Năm 2017, người ta nghe thấy hai sao neutron va chạm, rồi kính thiên văn bắt được ánh sáng của vụ nổ, nơi các nguyên tố nặng như vàng được rèn nên.