Stephen Hawking đã đúng: Hố đen không bao giờ co lại

Mười năm sau khi sóng hấp dẫn đầu tiên được phát hiện từ sự va chạm của hai hố đen, nhóm hợp tác LIGO–Virgo–KAGRA — trong đó có nhà thiên văn học nổi tiếng Maximiliano Isi của Đại học Columbia — đã ghi lại một tín hiệu khác từ một sự kiện vũ trụ gần như tương tự.

Nhờ những cải tiến lớn về độ nhạy của hệ thống dò sóng, nhóm nghiên cứu đã quan sát vụ va chạm rõ ràng gấp gần bốn lần so với trước đây. Dữ liệu mới giúp họ xác nhận hai dự đoán lý thuyết quan trọng:

• Hố đen hình thành sau khi hợp nhất không bao giờ co lại, đúng như lý thuyết của Stephen Hawking.
• Hố đen sẽ rung lên sau khi hợp nhất, y như dự đoán của thuyết tương đối rộng của Einstein.

“Tín hiệu cực kỳ rõ nét của vụ hợp nhất hố đen GW250114 này cho phép chúng tôi kiểm chứng một số giả thuyết quan trọng nhất về hố đen và sóng hấp dẫn,” ông Isi chia sẻ.

Kiểm chứng “định luật diện tích” của Hawking

Năm 1971, Stephen Hawking đề xuất rằng đường chân trời sự kiện — ranh giới bên ngoài mà tại đó không gì có thể thoát ra — không bao giờ giảm diện tích.

Đến năm 2021, Isi và các cộng sự đã sử dụng dữ liệu từ đài quan sát LIGO để phân tích các gợn sóng không gian–thời gian sinh ra từ một vụ va chạm hố đen, lần đầu tiên đưa ra bằng chứng quan sát xác nhận dự đoán đó. Khi ấy, tờ The New York Times nhận định rằng nếu kết quả này được công bố trước khi Hawking qua đời, ông có thể đã nhận giải Nobel.

Kết quả mới càng củng cố kết luận đó với độ chính xác cao hơn nhiều: diện tích bề mặt của hố đen sau hợp nhất luôn lớn hơn hoặc ít nhất bằng tổng diện tích của hai hố đen ban đầu. Mức cải thiện lớn này có được nhờ dữ liệu thu thập đồng thời từ hai cơ sở LIGO ở Washington và Louisiana.

Nhóm nghiên cứu cũng tách và phân tích được sóng hấp dẫn phát ra khi hố đen đã hợp nhất. Bằng cách đo cao độ và thời lượng của những gợn sóng này, họ xác định rõ hơn cấu trúc và đặc tính của hố đen mới hình thành. Cơ chế này giống như việc nghe âm thanh phát ra từ một nhạc cụ rỗng ruột để biết được kích thước, vật liệu và lực tác động.

Kết quả cho thấy hố đen sau hợp nhất phù hợp với mô tả của hố đen Kerr — mô hình toán học được nhà toán học Roy Kerr xây dựng vào thập niên 1960, giải chính xác phương trình không–thời gian của Einstein.

Giới vật lý từ lâu tin rằng mọi hố đen đều phải tuân theo nghiệm Kerr, nhưng việc xác nhận điều này qua quan sát là vô cùng khó khăn. Tín hiệu đặc biệt rõ ràng lần này mang lại bằng chứng trực tiếp nhất từ trước đến nay rằng hố đen thực sự hoạt động đúng như Kerr dự đoán.

“Trong thập kỷ tới, các đài quan sát sóng hấp dẫn như LIGO sẽ tiếp tục được nâng cấp, giúp chúng ta nhìn rõ hơn nữa những bí ẩn của hố đen ,” Isi chia sẻ. “ Tôi rất háo hức chờ xem chúng ta sẽ khám phá ra điều gì. ”