Trở lại năm 2017, một làn sóng hấp dẫn vang khắp Trái đất giống như âm thanh rõ ràng của tiếng chuông. Nó kéo dài và phun ra mọi người, kiến và dụng cụ khoa học trên hành tinh khi nó đi qua khu vực không gian của chúng ta. Bây giờ, các nhà nghiên cứu đã quay lại và nghiên cứu làn sóng đó, và tìm thấy dữ liệu ẩn trong đó - dữ liệu giúp xác nhận ý tưởng vật lý thiên văn hàng thập kỷ.
Làn sóng năm 2017 đó là một vấn đề lớn: Lần đầu tiên, các nhà thiên văn học có một công cụ có thể phát hiện và ghi lại nó khi nó đi qua, được gọi là Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO). Làn sóng đầu tiên đó là kết quả, họ tìm thấy, về hai lỗ đen đâm vào nhau trong không gian. Và bây giờ, một nhóm các nhà vật lý thiên văn đã có cái nhìn khác về bản ghi âm và tìm thấy một thứ mà người khác nghĩ sẽ mất hàng thập kỷ để khám phá: xác nhận chính xác "định lý không có tóc". Khía cạnh thiết yếu này của lý thuyết lỗ đen có từ ít nhất là vào những năm 1970 - một định lý mà Stephen Hawking nổi tiếng nghi ngờ.
Khi các nhà vật lý nói rằng hố đen không có "tóc", Maximiliano Isi, nhà vật lý tại MIT và là tác giả chính của bài báo, họ có nghĩa là các vật thể thiên văn rất đơn giản. Các lỗ đen chỉ khác nhau theo ba cách: tốc độ quay, khối lượng và điện tích. Và trong thế giới thực, các lỗ đen có lẽ không khác nhau nhiều về điện tích, vì vậy chúng thực sự chỉ khác nhau về khối lượng và độ xoáy. Các nhà vật lý gọi những vật thể hói này là "hố đen Kerr".
Không có lông làm cho các lỗ đen rất khác với mọi vật thể khác trong vũ trụ, Isi nói với Live Science. Ví dụ, khi một tiếng chuông thực sự vang lên, nó phát ra sóng âm và một số sóng hấp dẫn không thể phát hiện được, cực kỳ mờ nhạt. Nhưng đó là một đối tượng phức tạp hơn nhiều. Một chiếc chuông được làm từ một vật liệu, ví dụ (có thể bằng đồng, hoặc gang), trong khi theo mô hình không có tóc, các lỗ đen đều là những điểm kỳ dị đồng nhất. Mỗi chiếc chuông cũng có một hình dạng hơi độc đáo, trong khi các lỗ đen là tất cả các điểm không giới hạn, không thứ nguyên trong không gian được bao quanh bởi các chân trời sự kiện hình cầu. Tất cả những đặc điểm của chuông có thể được phát hiện trong âm thanh mà chuông tạo ra - ít nhất là nếu bạn biết điều gì đó về chuông và sóng âm. Nếu bạn có thể cảm nhận được sóng hấp dẫn của chuông bằng cách nào đó, bạn cũng sẽ phát hiện ra những khác biệt về thành phần và hình dạng chuông trong chúng, Isi nói.
"Bí mật cho toàn bộ doanh nghiệp này là dạng sóng - mô hình của sự kéo dài và ép này - mã hóa thông tin về nguồn, thứ tạo ra sóng hấp dẫn này", ông nói với Live Science.
Và các nhà thiên văn học nghiên cứu làn sóng năm 2017 đã học được rất nhiều về vụ va chạm lỗ đen sinh ra nó, Isi nói.
Nhưng bản thu âm mờ nhạt, và không chi tiết lắm. LIGO, các máy dò sóng hấp dẫn nhất trên thế giới, sử dụng tia laser để đo khoảng cách giữa gương sắp xếp 2,5 dặm (4 km) ngoài trong một L-mẫu trong tiểu bang Washington. (Virgo, một máy dò tương tự, cũng đã bắt được sóng ở Ý.) Khi sóng cuộn qua LIGO, nó tự biến dạng không-thời gian và thay đổi khoảng cách đó một chút. Nhưng các chi tiết của làn sóng trọng lực đó không đủ mạnh để các máy dò ghi lại, Isi nói.
"Nhưng nó giống như chúng ta đang nghe từ rất xa", Isi nói.
Vào thời điểm đó, làn sóng đó cung cấp rất nhiều thông tin. Các lỗ đen hành xử như mong đợi. Không có bằng chứng rõ ràng rằng nó thiếu một chân trời sự kiện (khu vực mà không có ánh sáng nào có thể thoát ra) và nó đã không đi chệch khỏi định lý không có tóc, Isi nói.
Nhưng các nhà nghiên cứu không thể rất chắc chắn về nhiều điểm trong số đó, đặc biệt là định lý không có tóc. Phần đơn giản nhất của dạng sóng để nghiên cứu, Isi cho biết, xuất hiện sau khi hai lỗ đen hợp nhất thành một lỗ đen lớn hơn. Nó cứ reo lên một lúc, rất giống như một tiếng chuông vang lên, gửi năng lượng dư thừa của nó vào không gian dưới dạng sóng hấp dẫn - điều mà các nhà vật lý thiên văn gọi là quá trình "đổ chuông".
Vào thời điểm đó, các nhà nghiên cứu nhìn vào dữ liệu LIGO chỉ phát hiện ra một dạng sóng trong quá trình gọi tắt. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng sẽ phải mất hàng thập kỷ để phát triển các nhạc cụ đủ nhạy cảm để thu nhận bất kỳ âm bội nào yên tĩnh hơn trong cuộc đổ bộ. Nhưng một trong những đồng nghiệp của Isi, Matt Giesler, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ California, đã phát hiện ra rằng có một khoảng thời gian ngắn ngay sau vụ va chạm trong đó tiếng chuông vang lên đủ mạnh để LIGO ghi lại nhiều chi tiết hơn bình thường. Và trong những khoảnh khắc đó, sóng đủ lớn để LIGO chọn một nhạc chuông - sóng thứ hai ở tần số khác, rất giống với các nốt phụ mờ nhạt được phát ra trong âm thanh của tiếng chuông.
Trong các nhạc cụ, âm bội mang hầu hết các thông tin cung cấp cho nhạc cụ âm thanh đặc biệt của chúng. Điều tương tự cũng đúng với các âm bội của sóng hấp dẫn, ông nói. Và nhạc chuông mới được phát hiện này đã làm rõ dữ liệu về lỗ đen đổ chuông rất nhiều, Isi nói.
Nó cho thấy, lỗ đen ít nhất rất gần với lỗ đen Kerr. Định lý không có tóc có thể được sử dụng để dự đoán âm lượng sẽ trông như thế nào; Isi và nhóm của anh ấy đã cho thấy rằng phần nhạc chuông khá phù hợp với dự đoán đó. Tuy nhiên, bản ghi âm của âm lượng không rõ ràng, do đó, vẫn có thể âm điệu có phần khác biệt - khoảng 10% - so với định lý sẽ dự đoán
Để vượt qua mức độ chính xác đó, ông nói, bạn cần trích xuất một âm lượng rõ ràng hơn từ dạng sóng của vụ va chạm lỗ đen hoặc chế tạo một nhạc cụ nhạy hơn LIGO, Isi nói.
"Vật lý là về ngày càng gần hơn," Isi nói. "Nhưng bạn không bao giờ có thể chắc chắn."
Thậm chí có khả năng tín hiệu từ âm lượng không phải là có thật, nhưng xảy ra do cơ hội đơn thuần do sự biến động ngẫu nhiên của dữ liệu. Họ đã báo cáo "độ tin cậy 3,6" trong sự tồn tại của nhạc chuông. Điều đó có nghĩa là có khoảng 1 trong 6,300 cơ hội rằng nhạc chuông không phải là tín hiệu thực sự từ lỗ đen.
Khi các công cụ cải thiện và sóng hấp dẫn hơn được phát hiện, tất cả những con số này sẽ trở nên tự tin và chính xác hơn, Isi nói. LIGO đã trải qua các bản nâng cấp khiến việc phát hiện va chạm lỗ đen khá thường xuyên. Một nâng cấp khác, được lên kế hoạch vào giữa năm 2020, sẽ tăng gấp 10 lần độ nhạy của nó, theo Vật lý thế giới. Sau khi ăng-ten không gian giao thoa kế laser (LISA) dựa trên không gian được ra mắt vào giữa những năm 2030, các nhà thiên văn học có thể xác nhận sự không có lông của các lỗ đen đến mức độ chắc chắn là không thể.
Tuy nhiên, Isi cho biết, luôn có khả năng các lỗ đen không bị hói hoàn toàn - chúng có thể có một số fuzz đào lượng tử đơn giản, quá mềm và ngắn để các dụng cụ của chúng ta nhặt được.
