Vào tháng 1 năm 2016, các nhà nghiên cứu tại Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) đã làm nên lịch sử khi họ công bố phát hiện đầu tiên về sóng hấp dẫn. Được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia (NSF) và được điều hành bởi Caltech và MIT, LIGO dành riêng cho việc nghiên cứu các sóng được dự đoán bởi Thuyết Einstein Thuyết tương đối rộng và gây ra bởi sự hợp nhất của lỗ đen.
Theo một nghiên cứu mới của một nhóm các nhà thiên văn học từ Trung tâm Vũ trụ học tại Đại học California Irvine, những vụ sáp nhập như vậy là phổ biến hơn nhiều so với chúng ta nghĩ. Sau khi tiến hành khảo sát vũ trụ nhằm tính toán và phân loại các lỗ đen, nhóm UCI xác định rằng có thể có tới 100 triệu lỗ đen trong thiên hà, một phát hiện có ý nghĩa quan trọng đối với nghiên cứu sóng hấp dẫn.
Nghiên cứu mô tả chi tiết phát hiện của họ, có tựa đề là Đếm các lỗ đen: Dân số còn sót lại của vũ trụ và ý nghĩa đối với LIGO, đã xuất hiện gần đây trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia. Được dẫn dắt bởi Oliver D. Elbert, một sinh viên postdoc thuộc khoa Vật lý và Thiên văn học tại UC Irvine, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích các tín hiệu sóng hấp dẫn đã được LIGO phát hiện.
Nghiên cứu của họ bắt đầu khoảng một năm rưỡi trước, ngay sau khi LIGO công bố phát hiện đầu tiên về sóng hấp dẫn. Những sóng này được tạo ra bởi sự hợp nhất của hai lỗ đen xa xôi, mỗi lỗ có khối lượng tương đương với khoảng 30 Mặt trời. Như James Bullock, giáo sư vật lý và thiên văn học tại UC Irvine và là đồng tác giả của bài báo, đã giải thích trong thông cáo báo chí của UCI:
Về cơ bản, việc phát hiện sóng hấp dẫn là một vấn đề rất lớn, vì nó là sự xác nhận cho một dự đoán chính của thuyết tương đối rộng của Einstein. Nhưng sau đó chúng tôi đã xem xét kỹ hơn về vật lý thiên văn của kết quả thực tế, một sự hợp nhất của hai lỗ đen khối lượng 30 mặt trời. Điều đó chỉ đơn giản là đáng kinh ngạc và đã cho chúng tôi hỏi, "Các hố đen có kích thước này phổ biến như thế nào và chúng có thường xuyên hợp nhất không?
Theo truyền thống, các nhà thiên văn học đã có quan điểm rằng các lỗ đen thường có cùng khối lượng với Mặt trời của chúng ta. Do đó, họ đã tìm cách giải thích nhiều phát hiện sóng hấp dẫn do LIGO thực hiện theo những gì được biết về sự hình thành thiên hà. Ngoài ra, họ cũng tìm cách tạo ra một khuôn khổ để dự đoán các vụ sáp nhập lỗ đen trong tương lai.
Từ đó, họ kết luận rằng Dải Ngân hà sẽ là nơi chứa tới 100 triệu lỗ đen, 10 triệu trong số đó có khối lượng ước tính khoảng 30 khối lượng Mặt trời - tức là tương tự như các khối đã hợp nhất và tạo ra sóng hấp dẫn đầu tiên được phát hiện bởi LIGO năm 2016. Trong khi đó, các thiên hà lùn - như Lùn Draco, quay quanh quỹ đạo ở khoảng cách khoảng 250.000 ly từ trung tâm thiên hà của chúng ta - sẽ chứa khoảng 100 lỗ đen.
Họ còn xác định thêm rằng ngày nay, hầu hết các lỗ đen khối lượng thấp (~ 10 khối lượng Mặt trời) cư trú trong các thiên hà của 1 nghìn tỷ khối lượng Mặt trời (các thiên hà khổng lồ) trong khi các lỗ đen khổng lồ (~ 50 khối lượng Mặt trời) cư trú trong các thiên hà có khoảng 10 tỷ khối lượng Mặt trời (tức là các thiên hà lùn). Sau khi xem xét mối quan hệ giữa khối lượng thiên hà và tính kim loại của sao, họ đã giải thích một lỗ đen thiên hà là một chức năng của khối sao.
Ngoài ra, họ cũng tìm cách xác định tần suất các lỗ đen xuất hiện theo cặp, tần suất chúng hợp nhất và thời gian này sẽ kéo dài bao lâu. Phân tích của họ chỉ ra rằng chỉ một phần nhỏ các lỗ đen sẽ cần phải tham gia vào các vụ sáp nhập để phù hợp với những gì LIGO quan sát được. Nó cũng đưa ra dự đoán cho thấy các lỗ đen lớn hơn thậm chí có thể hợp nhất trong thập kỷ tới.
Như Manoj Kaplinghat, cũng là giáo sư vật lý và thiên văn học của UCI và là đồng tác giả thứ hai của nghiên cứu, đã giải thích:
Chúng tôi chỉ ra rằng chỉ 0,1 đến 1 phần trăm các lỗ đen được hình thành phải hợp nhất để giải thích những gì LIGO đã thấy. Tất nhiên, các lỗ đen phải đủ gần để hợp nhất trong một thời gian hợp lý, đó là một vấn đề mở. Nếu các ý tưởng hiện tại về sự tiến hóa của sao là đúng, thì các tính toán của chúng tôi chỉ ra rằng việc sáp nhập các lỗ đen có khối lượng 50 mặt trời sẽ được phát hiện trong một vài năm.
Nói cách khác, thiên hà của chúng ta có thể có rất nhiều lỗ đen và việc sáp nhập có thể diễn ra một cách thường xuyên (liên quan đến thời gian vũ trụ học). Như vậy, chúng ta có thể hy vọng rằng sẽ có nhiều phát hiện sóng trọng lực hơn trong những năm tới. Điều này sẽ không gây ngạc nhiên khi thấy LIGO đã thực hiện hai lần phát hiện bổ sung kể từ mùa đông năm 2016.
Với nhiều dự kiến sẽ đến, các nhà thiên văn học sẽ có nhiều cơ hội để nghiên cứu các vụ sáp nhập hố đen, chưa kể đến vật lý thúc đẩy chúng!
