Khám phá ra 'bản giao hưởng' ẩn giấu trong rung động của hố đen

Âm vang của không-thời gian

Khám phá này mở ra một cách tiếp cận mới đầy mạnh mẽ để hiểu được "âm thanh" của chúng khi va chạm hoặc tạo ra các gợn sóng xuyên không-thời gian.

Hố đen là một trong những vùng cực đoan và bí ẩn nhất của vũ trụ. Những vật thể này có lực hấp dẫn mạnh đến mức có thể bẻ cong không gian và thời gian.

Khi một hố đen bị xáo trộn, chẳng hạn như trong một vụ va chạm, nó bắt đầu rung động theo một mô hình cụ thể được gọi là chế độ gần chuẩn (quasinormal modes). Những rung động này tạo ra gợn sóng trong cấu trúc của không-thời gian, phát ra sóng hấp dẫn có thể được phát hiện từ rất xa nguồn của chúng.

Sóng hấp dẫn từ các sự kiện như vụ sáp nhập hố đen đủ mạnh để đến Trái Đất, cho phép các nhà khoa học đo lường các đặc tính chính của hố đen, gồm khối lượng và hình dạng của nó. Tuy nhiên, việc tính toán chính xác các rung động này vẫn là một thách thức khó khăn, đặc biệt đối với những tín hiệu yếu hơn và mờ dần nhanh chóng.

Để vượt qua điều này, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Kyoto đã khám phá một chiến lược khác. Họ chuyển sang một phương pháp toán học gọi là phân tích Wentzel-Kramers-Brillouin chính xác (exact WKB). Phương pháp này cho phép họ theo dõi sát sao cách các sóng truyền ra ngoài từ một hố đen. Mặc dù kỹ thuật này đã được nghiên cứu trong toán học một thời gian, việc sử dụng nó trong vật lý - đặc biệt là trong nghiên cứu hố đen - vẫn còn tương đối mới.

Tác giả Taiga Miyachi nói: "Nền tảng của phương pháp WKB chính xác phần lớn được phát triển bởi các nhà toán học Nhật Bản. Là một nhà nghiên cứu đến từ Nhật Bản, tôi luôn thấy lĩnh vực này quen thuộc về mặt trí tuệ và văn hóa".

Cách tiếp cận này đã giúp nhóm nghiên cứu có khả năng theo dõi hành vi của sóng với độ chính xác cao, ngay cả ở những vùng mà các phương pháp khác thường khó nghiên cứu. Bằng cách mở rộng hình học của không gian gần hố đen sang miền số phức, họ đã khám phá ra những cấu trúc phức tạp bên trong môi trường xung quanh hố đen.

Các mô hình bị bỏ qua trong toán học

Có một hiện tượng toán học gọi là đường cong Stokes (Stokes curves), chỉ định nơi bản chất của một sóng đột nhiên thay đổi. Trong khi các nghiên cứu trước đây thường bỏ qua các đường cong Stokes xoắn ốc vô hạn và các đường phân nhánh từ hố đen, nhóm nghiên cứu đã kết hợp những đặc điểm phức tạp này vào phân tích của họ.

Hình ảnh đường cong Stokes và hố đen

Những phát hiện cho thấy nhóm đã thành công trong việc phát triển một phương pháp hệ thống và chính xác để nắm bắt cấu trúc tần số của các rung động suy yếu nhanh chóng. Điều này chứng tỏ sức mạnh của phương pháp WKB chính xác như một công cụ thiết thực để kết nối các dự đoán lý thuyết với dữ liệu quan sát.

Miyachi nói: "Chúng tôi đã ngạc nhiên trước sự phức tạp và vẻ đẹp của cấu trúc cơ bản của những rung động này. Chúng tôi tìm thấy các mô hình xoắn ốc trong phân tích toán học mà trước đây đã bị bỏ sót và những mô hình này hóa ra lại là chìa khóa để hiểu toàn bộ bức tranh về các chế độ gần chuẩn".

Nghiên cứu này giúp việc phân tích "âm thanh rung" của hố đen có thể thực hiện trên một loạt các mô hình lý thuyết. Cuối cùng, điều này có thể giúp cải thiện độ chính xác của các quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai và dẫn đến một sự hiểu biết sâu sắc hơn, đáng tin cậy hơn về bản chất thực sự của vũ trụ và hình học của nó.

Mở rộng để nghiên cứu hấp dẫn lượng tử

Nhìn về phía trước, nhóm nghiên cứu có kế hoạch mở rộng cách tiếp cận của họ sang các hố đen đang quay và khám phá ứng dụng của phân tích WKB chính xác trong các nghiên cứu liên quan đến hiệu ứng hấp dẫn lượng tử.

Mục tiêu của lĩnh vực hấp dẫn lượng tử là tạo ra một khuôn khổ lý thuyết duy nhất, có thể giải thích cách thức lực hấp dẫn hoạt động ở cấp độ vi mô. Nó đi tìm đáp án trả lời cho câu hỏi: Khi không-thời gian bị "thu nhỏ" đến kích thước của một hạt, nó sẽ trông như thế nào?

Đến nay, hấp dẫn lượng tử vẫn chỉ là một lý thuyết. Việc kiểm chứng nó bằng thực nghiệm là vô cùng khó khăn, bởi các hiệu ứng lượng tử của lực hấp dẫn chỉ có thể được quan sát ở một thang đo cực kỳ nhỏ, gọi là thang Planck, nhỏ hơn hàng tỉ tỉ lần so với một nguyên tử.

Tuy nhiên, với sự phát triển của các công nghệ mới như máy tính lượng tử, các nhà khoa học đang bắt đầu có những công cụ để mô phỏng các tương tác phức tạp này. Việc giải mã được hấp dẫn lượng tử sẽ là một bước đột phá lớn, không chỉ giúp chúng ta hiểu hơn về bản chất của vũ trụ mà còn mở ra những khả năng công nghệ chưa từng có.

Bùi Tú