Điều gì xảy ra khi sóng hấp dẫn gặp lỗ đen?

Sóng hấp dẫn là dấu hiệu cuối cùng được phát ra bởi các lỗ đen đang hợp nhất. Điều gì xảy ra khi hai hiện tượng này gặp nhau trong không gian?

Khi hai thứ trong Vũ trụ mà luôn luôn xảy ra gặp nhau, làm sao bạn biết điều nào sẽ chiếm ưu thế? Sóng hấp dẫn, ví dụ, luôn đi xuyên qua bất cứ thứ gì mà chúng gặp phải: không gian trống, vật chất tối, đám mây khí, plasma, bụi, hành tinh, các ngôi sao và thậm chí cả các tàn dư sao đặc như sao lùn trắng và sao neutron. Chúng mang năng lượng, có thể được truyền vào các vật thể mà chúng tác động, làm biến dạng không gian (và mọi thứ trong đó) khi chúng đi qua. Không có gì dường như có thể ngăn chặn sóng hấp dẫn, với những thay đổi duy nhất đối với sự lan truyền không bị nhiễu loạn đến từ tác động của không thời gian bị méo mó bởi sự hiện diện của các khối lượng và sự giãn nở của Vũ trụ.

Nhưng mặt khác, chúng ta có các lỗ đen, với chân trời sự kiện: một khu vực mà từ đó không có gì có thể thoát ra. Vậy khi vật thể không thể di chuyển gặp lực không thể cưỡng lại, điều gì sẽ thắng thế? Trong khi sóng hấp dẫn có thể được phát ra từ bên ngoài chân trời sự kiện của các lỗ đen đang hợp nhất, nếu điều gì đó xảy ra bên trong chân trời sự kiện, nó không thể thoát ra. Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu một sóng hấp dẫn lan truyền, được tạo ra bởi một vụ hợp nhất lỗ đen, va chạm với một lỗ đen khác: một lỗ đen không tham gia vào việc tạo ra các sóng đó?

Hai khả năng chính mà bạn có thể xem xét là: sóng hấp dẫn có thể đi xuyên qua lỗ đen giống như cách chúng đi qua mọi thứ khác, hoặc nó có thể bị nuốt chửng và hấp thụ bởi lỗ đen, thêm vào khối lượng/ năng lượng của nó. Đây là cách để tìm ra điều gì thực sự sẽ xảy ra.

Lỗ đen

Khi bạn tiến gần hơn và gần hơn đến vị trí của khối lượng, không gian trở nên cong nặng nề hơn, cuối cùng dẫn đến một vị trí mà từ đó ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra: chân trời sự kiện. Từ xa, độ cong không gian của một lỗ đen không thể phân biệt với độ cong do một vật thể kém đặc hơn nhưng có khối lượng tương đương tạo ra.

Khi bạn ở xa chân trời sự kiện của một lỗ đen, nó dường như hoạt động giống như bất kỳ khối lượng thông thường nào khác trong Vũ trụ. Từ vị trí của Trái Đất, ví dụ, các tác động hấp dẫn mà chúng ta cảm nhận được từ Mặt Trời không thể phân biệt với những gì sẽ được tạo ra bởi:

– Một sao lùn trắng,

– Một sao neutron,

– Hoặc một lỗ đen.

Miễn là khối lượng của chúng giống hệt nhau. Chúng ta vẫn sẽ trải nghiệm cùng một quỹ đạo, với cùng tốc độ, cùng chu kỳ, cùng một quỹ đạo hình elip (và thậm chí cùng mức độ tuế sai tương đối) mà chúng ta trải nghiệm từ Mặt Trời. Những khác biệt duy nhất có thể cảm nhận được sẽ xuất hiện khi chúng ta nhìn vào vùng lân cận của Mặt Trời (hoặc bất kỳ thứ gì thay thế nó). Sự bẻ cong ánh sáng nền, cùng với tất cả các dạng vật chất và bức xạ khác, sẽ trở nên mạnh mẽ hơn khi bạn càng tiến gần đến một vật thể đặc, có khối lượng lớn: những khu vực hiện đang bị đĩa của Mặt Trời che khuất. Ngoại trừ sự méo mó của không gian từ ~1 độ gần nhất với trung tâm của Mặt Trời, nơi độ cong của không gian là nghiêm trọng nhất, không có sự khác biệt nào khác có thể phát hiện được.

Không thời gian cong trong thuyết tương đối tổng quát

Một cái nhìn động về cách không thời gian phản ứng khi một khối lượng di chuyển qua nó cho thấy chính xác cách, về chất lượng, nó không chỉ là một tấm vải. Thay vào đó, toàn bộ không gian ba chiều bị cong bởi sự hiện diện và các tính chất của vật chất và năng lượng trong Vũ trụ. Nhiều khối lượng quay quanh nhau sẽ gây ra sự phát ra sóng hấp dẫn.

Nhưng vùng bên trong đó quan trọng đáng kể khi chúng ta xem xét tác động của nó đối với việc hấp thụ các loại vật chất và bức xạ khác nhau. Ví dụ:

– Mặt Trời, là một vật thể mờ đục, sẽ hấp thụ mọi thứ mà nó tương tác, như proton, neutron, electron và photon, nhưng sẽ trong suốt đối với các hạt như neutrino và phản neutrino.

– Các sao lùn trắng, là mờ đục nhưng nhỏ hơn nhiều so với Mặt Trời, sẽ có diện tích tiết diện nhỏ hơn nhiều (có lẽ chỉ ~0,01% so với Mặt Trời) nhưng vẫn sẽ mờ đục đối với proton, neutron, electron và photon, và do mật độ của nó sẽ bắt đầu hấp thụ một phần nhỏ các neutrino va chạm.

– Sao neutron, nhỏ hơn và đặc hơn sao lùn trắng, có diện tích thấp hơn nhiều để hấp thụ proton, neutron, electron và photon, nhưng sẽ hấp thụ ~100% những hạt va chạm với nó, cùng với lên tới ~50% neutrino (và phản neutrino) đi qua đường kính của nó.

– Lỗ đen hấp thụ hoàn toàn 100% mọi thứ mà chúng ta biết, miễn là chúng chạm vào hoặc vượt qua chân trời sự kiện của nó.

Từ một lỗ đen, nếu bạn là một thực thể mang năng lượng, bạn gần như không có cơ hội thoát ra.

Sóng hấp dẫn là gì?

Sóng hấp dẫn không giống như bất kỳ hạt hay bức xạ nào khác trong vũ trụ. Chúng không được coi là những hạt lan truyền qua không-thời gian, mà là những gợn sóng trong chính cấu trúc của không-thời gian. Khi sóng hấp dẫn đi qua một vùng không gian chứa vật chất hoặc năng lượng, mọi thứ trong vùng đó cũng sẽ trải nghiệm sự biến dạng tương tự – sự nén và giãn – như chính không gian mà chúng chiếm giữ.

Yếu tố quan trọng mà chúng ta cần cân nhắc là: Điều gì xảy ra với vật chất tồn tại trong không gian mà sóng hấp dẫn đi qua? Đúng vậy, khi những sóng này đi qua chúng ta, chúng sẽ rút ngắn và kéo dài khoảng cách giữa mọi lượng tử vật chất tồn tại. Nhưng liệu chúng có thể truyền năng lượng vào vật chất mà chúng tương tác không? Tin hay không, đây chính là chủ đề của một hội nghị căng thẳng vào năm 1957, được gọi là GR1: hội nghị đầu tiên về thuyết tương đối tổng quát tại Mỹ.

Lý luận giải quyết vấn đề này được Richard Feynman đưa ra và ngày nay được biết đến với cái tên lý luận hạt kết dính. Hãy tưởng tượng, như trong hình minh họa bên dưới, bạn có hai thanh mỏng vuông góc với nhau, mỗi thanh có các hạt gắn ở hai đầu. Trên mỗi thanh, một hạt cố định và không thể di chuyển, trong khi hạt còn lại tự do trượt. Nếu sóng hấp dẫn đi qua thanh vuông góc với hướng của thanh, khoảng cách giữa các hạt sẽ thay đổi.

Nếu thanh và hạt không có ma sát, sẽ không có nhiệt được tạo ra và không năng lượng nào bị “rút” khỏi sóng hấp dẫn; chuyển động đó diễn ra một cách miễn phí. Nhưng ngay khi bạn thêm ma sát, chuyển động của hạt so với thanh sẽ khiến các nguyên tử, phân tử, và electron cọ xát với nhau, tạo ra nhiệt qua ma sát, và nhờ đó rút năng lượng từ sóng hấp dẫn. Lý luận của Feynman không chỉ chứng minh rằng sóng hấp dẫn mang năng lượng, mà còn chỉ ra cách trích xuất năng lượng từ các sóng này và đưa nó vào một hệ thống vật lý thực tế.

Khi hai cánh tay của một giao thoa kế quang học có chiều dài chính xác bằng nhau và không có sóng hấp dẫn đi qua, tín hiệu sẽ bằng không và mô hình giao thoa không thay đổi. Nhưng khi chiều dài của các cánh tay thay đổi do sóng hấp dẫn, tín hiệu trở nên dao động và mô hình giao thoa thay đổi theo thời gian một cách có thể dự đoán được. Kỹ thuật này là cơ sở để tiết lộ trực tiếp sự hiện diện của sóng hấp dẫn.

Khi các sóng hấp dẫn đi qua hành tinh của chúng ta, mọi thứ trên hành tinh đều hấp thụ một lượng năng lượng tương ứng từ sóng nhờ những thay đổi trong vị trí và tương tác của các hạt mà chúng ta có. Trong trường hợp của LIGO, điều này không chỉ giúp chúng ta phát hiện sóng hấp dẫn, mà còn đo lường các đặc tính của chúng và suy luận tổng năng lượng tạo ra từ các sự kiện đã sinh ra chúng.

Quan sát trực tiếp về các đặc tính của sóng hấp dẫn không nhiều, nhưng chúng ta có thể nhìn vào quỹ đạo của các sao xung nhị phân để tính toán năng lượng mất đi dưới dạng sóng hấp dẫn. Kết quả tính toán này khớp chính xác với sự thay đổi quỹ đạo quan sát được của hệ sao nhị phân.

Chúng ta đã có hơn 100 quan sát về các vật thể nén hợp nhất từ LIGO và Virgo, bao gồm một sự kiện đa sứ giả – khi sóng hấp dẫn và bức xạ điện từ được phát hiện trong thời gian ngắn gần như cùng lúc từ cùng một nguồn.

Mặc dù đó chỉ là một sự kiện trong số hơn 100, nhưng nó đã dạy chúng ta một số thông tin cực kỳ quan trọng:

• Sóng hấp dẫn và sóng điện từ di chuyển với cùng tốc độ, tức tốc độ ánh sáng, với sai số chỉ 1 phần trong 10¹⁵.

• Sóng điện từ bị chậm lại khi đi qua vật chất, nhưng sóng hấp dẫn thì không.

• Cả sóng điện từ và sóng hấp dẫn đều có bước sóng bị kéo dài bởi sự giãn nở của vũ trụ.

• Lực hấp dẫn làm lệch hướng và dịch chuyển đỏ ảnh hưởng đến cả photon và sóng hấp dẫn theo cách hoàn toàn giống nhau.

Những điểm tương đồng và khác biệt giữa sóng hấp dẫn và Photon

Điểm tương đồng

Sóng hấp dẫn mang năng lượng và có các đặc điểm giống photon ở nhiều khía cạnh:

• Trải nghiệm dịch chuyển đỏ/ dịch chuyển xanh tương đối dựa vào trường hấp dẫn, độ cong không gian, và chuyển động tương đối giữa nguồn và người quan sát.

• Hướng truyền bị lệch do sự hiện diện của các vật thể khối lượng lớn.

• Trải nghiệm hiệu ứng thấu kính hấp dẫn giống hệt nhau.

• Mang năng lượng và thay đổi năng lượng đó nhờ sự giãn nở của vũ trụ.

• Có thể truyền năng lượng (hoặc không) vào các vật thể mà chúng đi qua/ tương tác, tùy thuộc vào sức mạnh của tương tác.

Điểm khác biệt

• Sóng hấp dẫn có tính chất tensor (đối xứng bậc hai) thay vì vector như photon.

• Đối tác lượng tử của bức xạ điện từ, photon (spin=1), đã được đo đạc các đặc tính. Trong khi đó, đối tác lượng tử của bức xạ hấp dẫn, graviton (spin=2), mới chỉ tồn tại trên lý thuyết và chưa từng được phát hiện trực tiếp.

Lỗ đen không chỉ là một khối lượng được đặt trên một nền tảng cô lập, mà còn thể hiện các hiệu ứng hấp dẫn như kéo dài, phóng đại, và làm biến dạng ánh sáng nền do hiện tượng thấu kính hấp dẫn. Không chỉ ánh sáng nền, mà ngay cả sóng hấp dẫn cũng chịu ảnh hưởng tương tự. Nếu bất kỳ thứ gì vượt qua chân trời sự kiện, nó sẽ được thêm vào lỗ đen.

Sóng hấp dẫn gần lỗ đen

Tuy nhiên, bất kể những khác biệt này, thực tế rằng sóng hấp dẫn tuân theo các đường trắc địa null của không gian cong mang đến cho chúng ta câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi ban đầu: Khi một sóng hấp dẫn bên ngoài lan truyền vào một vùng không gian có chân trời sự kiện, điều gì xảy ra với những sóng đó?

Câu trả lời rất đơn giản: Chúng lan truyền theo cách mà bất kỳ lượng tử không khối lượng nào cũng sẽ di chuyển, tuân theo con đường được định hình bởi không gian cong mà chúng lan qua. Nếu con đường đó đưa bạn đến gần chân trời sự kiện của lỗ đen, bạn sẽ trải nghiệm tất cả các hiện tượng tương đối bình thường (dịch chuyển đỏ/ xanh, giãn thời gian/ co ngắn chiều dài, kéo khung), nhưng bạn vẫn có thể thoát ra miễn là bạn không vượt qua chân trời sự kiện.

Nếu bạn vượt qua, chỉ có một kết quả duy nhất: Bạn rơi không thể cưỡng lại về phía điểm kỳ dị trung tâm, và khi vượt qua ngưỡng chân trời sự kiện, năng lượng và động lượng góc của bạn – mà sóng hấp dẫn cũng sở hữu đối với lỗ đen – sẽ được thêm vào chính lỗ đen. Nói cách khác, lỗ đen lớn dần bằng cách nuốt chửng mọi thứ mà chúng gặp, và sóng hấp dẫn cũng góp phần vào quá trình này.

Trong vùng lân cận của lỗ đen, không gian di chuyển như một thang cuốn hoặc một thác nước, tùy thuộc vào cách bạn hình dung. Tại chân trời sự kiện, ngay cả khi bạn chạy (hoặc bơi) với tốc độ ánh sáng, bạn cũng không thể vượt qua dòng chảy của không-thời gian, thứ kéo bạn vào điểm kỳ dị ở trung tâm. Tuy nhiên, bên ngoài chân trời sự kiện, các lực khác (như điện từ) có thể thường xuyên vượt qua lực hấp dẫn, khiến ngay cả vật chất đang rơi cũng có thể thoát ra ngoài.

Mặc dù sóng hấp dẫn xuất hiện khắp nơi trong thiên hà và vũ trụ, thực tế là diện tích tiết diện của chân trời sự kiện của lỗ đen lại cực kỳ nhỏ bé, ngay cả với những lỗ đen lớn nhất. Do đó, lượng năng lượng thêm vào từ việc hấp thụ sóng hấp dẫn là hoàn toàn không đáng kể. Sự rơi vào của vật chất thông thường, vật chất tối, neutrino, và thậm chí bức xạ (điện từ) thông thường vượt xa năng lượng thu được từ bức xạ hấp dẫn đi vào. Khi mọi thứ được tính toán, lượng sóng hấp dẫn trong vũ trụ là không đủ để tạo ra sự thay đổi đáng kể trong tổng khối lượng/năng lượng của một lỗ đen.

Nhưng điều đó vẫn xảy ra. Những gợn sóng của sóng hấp dẫn – giống như bất kỳ thứ gì khác rơi vào lỗ đen – phải được lưu lại trên bề mặt của lỗ đen, bảo toàn thông tin, trong khi năng lượng và động lượng góc được hấp thụ vào lỗ đen, bảo toàn những đại lượng đó. Mỗi lần một trong những gợn sóng không-thời gian này đi qua lỗ đen, một phần nhỏ năng lượng của nó được hấp thụ.

Lượng năng lượng này rất nhỏ, vì sóng hấp dẫn lan tỏa ra trong một hình cầu từ nguồn và chỉ có một đĩa tương ứng với diện tích chân trời sự kiện là nơi hấp thụ được nó. Nhưng bất kỳ hiệu ứng không bằng không nào cũng đều được tính. Hy vọng một ngày nào đó, chúng ta sẽ đủ tiến bộ để đo lường được nó!