Điều gì làm đảo lộn cách chúng ta hiểu về các vụ sáp nhập vũ trụ khổng lồ?

Phát hiện này buộc họ phải xem xét lại nhiều giả thuyết lâu nay về sự hình thành của các hệ sao cực đoan.

Trước khi hợp nhất, hai vật thể siêu đặc này không quay quanh nhau theo quỹ đạo tròn như các mô hình lý thuyết từng dự đoán. Thay vào đó, chúng chuyển động theo quỹ đạo hình elip lệch tâm, giống những đường xoáy trong đồ chơi vẽ Spirograph.

Theo các nhà khoa học, phát hiện này cho thấy không phải mọi hệ hố đen - sao neutron đều tiến hóa theo cùng một kịch bản. Một số hệ có thể hình thành trong môi trường phức tạp hơn, với nhiều tương tác hấp dẫn giữa các thiên thể.

Phó giáo sư vật lý thiên văn Patricia Schmidt (Đại học Birmingham, Anh), đồng tác giả nghiên cứu, cho biết việc hệ thống vẫn giữ quỹ đạo lệch tâm ngay trước khi sáp nhập là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy ít nhất một số hệ nhị phân hố đen - sao neutron được hình thành theo cách khác với các dự đoán trước đây.

Những gợn sóng của Einstein

Vào tháng 1/2020, các nhà khoa học lần đầu ghi nhận bằng chứng rõ ràng về việc một hố đen nuốt chửng sao neutron. Sự kiện này tạo ra một hố đen mới có khối lượng khoảng 13 lần Mặt Trời.

Dù xảy ra cách Trái Đất khoảng một tỷ năm ánh sáng, vụ va chạm vẫn được phát hiện thông qua sóng hấp dẫn, những gợn sóng trong không-thời gian được Albert Einstein dự đoán trong thuyết tương đối.

Các tín hiệu này được ghi nhận bởi hệ thống Đài quan sát sóng hấp dẫn LIGO tại Mỹ và máy dò Virgo ở Ý. Một trong các tín hiệu, mang tên GW200105, trở thành trọng tâm của nghiên cứu mới.

Khi áp dụng mô hình phân tích mới do Đại học Birmingham phát triển, nhóm nghiên cứu phát hiện một số ước tính trước đây chưa chính xác. Khối lượng của hố đen thực tế lớn hơn, trong khi khối lượng của sao neutron nhỏ hơn so với đánh giá ban đầu.

Quan trọng hơn, dữ liệu mới cho thấy hệ thống này không hề có quỹ đạo tròn như giả định trước đây. Khả năng quỹ đạo tròn đã bị loại trừ với độ chắc chắn lên tới 99%.

Khi quỹ đạo tròn bị phá vỡ

Hố đen và sao neutron đều là tàn dư của các ngôi sao khối lượng lớn sau khi cạn kiệt nhiên liệu và sụp đổ. Trong nhiều trường hợp, hai tàn dư này có thể hình thành hệ nhị phân và dần tiến gần nhau cho tới khi va chạm.

Theo mô hình truyền thống, những hệ như vậy hình thành từ hai ngôi sao lớn tiến hóa cùng nhau. Quá trình tương tác hấp dẫn kéo dài khiến quỹ đạo của chúng dần trở nên gần tròn.

Tuy nhiên, phát hiện mới cho thấy hệ GW200105 vẫn giữ quỹ đạo lệch tâm ngay trước khi hợp nhất. Điều này rất khó giải thích bằng kịch bản hình thành tiêu chuẩn.

Để hiểu rõ hơn, nhóm nghiên cứu phân tích hai đặc tính quan trọng của quỹ đạo: độ lệch tâm (mức độ elip của quỹ đạo) và sự tiến động, tức sự thay đổi của trục quay theo thời gian.

Kết quả cho thấy quỹ đạo của hệ có độ lệch tâm cao nhưng không có dấu hiệu tiến động đáng kể. Điều này gợi ý rằng quỹ đạo elip của hệ đã hình thành từ rất sớm, có thể do tương tác hấp dẫn với các thiên thể khác trong môi trường xung quanh.

Theo nghiên cứu sinh Geraint Pratten (Đại học Birmingham), hình dạng quỹ đạo cho thấy hệ này nhiều khả năng không tiến hóa trong cô lập mà được hình thành nhờ các tương tác hấp dẫn phức tạp, thậm chí có thể liên quan tới một ngôi sao thứ ba.

Mở ra “cửa sổ mới” để quan sát vũ trụ

Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học phát hiện bằng chứng về quỹ đạo lệch tâm trong một hệ sao neutron - hố đen.

Dù cơ chế hình thành chính xác vẫn chưa được xác định, phát hiện này cho thấy không tồn tại một mô hình chung cho tất cả các hệ nhị phân cực đoan trong vũ trụ.

Để giải đáp những câu hỏi còn bỏ ngỏ, các nhà khoa học kỳ vọng vào thế hệ máy dò sóng hấp dẫn mới, đặc biệt là dự án LISA (Laser Interferometer Space Antenna) đặt ngoài không gian.

Theo Giáo sư Schmidt, các thiết bị tương lai sẽ nhạy hơn nhiều so với hiện nay, cho phép phát hiện các tín hiệu yếu hơn, xa hơn và thậm chí cả những loại sóng hấp dẫn mà con người chưa từng quan sát.

“Các máy dò sóng hấp dẫn trong tương lai sẽ mở ra một cánh cửa hoàn toàn mới để chúng ta khám phá vũ trụ”, bà nói.