Các cặp sao bị khoá trong một vũ điệu quay điên cuồng

Các sao neutron quay và các lỗ đen gợn sóng sẽ khuấy động không-thời gian và tạo ra sóng hấp dẫn một cách vô cùng hiệu quả. Sự khuấy động càng nhiều thì sóng hấp dẫn càng tăng. Các khối nổi lên bề mặt càng lớn và vận tốc di chuyển càng nhanh, thì cường độ sóng hấp dẫn càng mạnh. Có một cách khác đơn giản và hiệu quả hơn để tạo ra một “khối u” lớn di chuyển nhanh chóng.

Ở mọi nơi trong vũ trụ, các nhà vật lý thiên văn kỳ vọng tìm thấy tất cả các dạng của hệ nhị phân đặc - là các cặp nhị phân của các ngôi sao; “đặc” có nghĩa là các ngôi sao thuộc phân loại sao lùn trắng, sao neutron, hoặc lỗ đen. Các cặp sao đặc này quay quanh nhanh rất gần tương tự như có hai “khối u” khổng lồ di chuyển rất nhanh chóng. Chúng có thể là mọi kiểu kết hợp khác nhau: một sao neutron với một lỗ đen; một lỗ đen với một lỗ đen khác; một sao lùn trắng với một sao neutron, vân vân… Bởi vì những ngôi sao này đặc, và có lực hấp dẫn mạnh, nên chúng có thể khuấy động không-thời gian rất mãnh liệt.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Nếu Trái Đất đến quá gần với một ngôi sao đặc, các lực tương tự sẽ khiến thuỷ triều trên các đại dương trở nên rất mạnh đến nỗi Trái Đất có thể bị xé toạc thành từng mảnh. Điều này cũng đúng - và thậm chí còn dễ hình dung hơn - với trường hợp ở gần một ngôi sao đặc áp dụng cho các ngôi sao khác như Mặt Trời của chúng ta. Chúng đơn giản là quá mềm yếu để có thể tồn tại ở gần một ngôi sao đặc và quay quanh nó. Thay vào đó, tất cả vật chất của chúng sẽ bị xé toạc và cuốn ra xung quanh ngôi sao đặc. Sóng hấp dẫn sẽ vẫn được tạo ra, nhưng chúng cũng bị “vấy ra”, và rất khó để quan sát.

Do đó, các ngồn phát sóng hấp dẫn hiệu quả nhất là các cặp sao đặc, là những ngôi sao không thể bị xé toạc ra từng mảnh một cách dễ dàng. Thay vào đó, chúng sẽ có khả năng đến rất gần nhau và vẫn giữ nguyên vẹn. Để chống lại lực hấp dẫn dữ dội, chúng sẽ cần đến một quỹ đạo rất nhanh đến nỗi lực ly tâm có thể giữ chúng tách bạch với nhau. Trong thực tế, một cặp sao neutron - nặng hơn so với Mặt Trời của chúng ta - có thể kỳ vọng là quay quanh nhau từ vài chục đến vài trăm lần mỗi giây tại quỹ đạo gần nhau nhất! Sự khuấy động không-thời gian cực hạn này chắc chắn sẽ tạo ra sóng hấp dẫn rất mãnh liệt.

Một cặp nhị phân đặc sẽ hình thành như là kết quả của một cuộc gặp gỡ tình cờ của hai ngôi sao đặc. Chúng có thể di chuyển ở các hướng khác nhau, và đi ngang qua nhau ở một cự ly rất gần, khiến chúng tạo ra sóng hấp dẫn và - cùng với sóng hấp dẫn - năng lượng. Sau khi mất đi năng lượng này, mỗi ngôi sao sẽ không có khả năng để thoát khỏi lực hấp dẫn của ngôi sao còn lại, và chúng bắt đầu quay quanh nhau.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 1: Ba giai đoạn của quá trình sát nhập của một cặp lỗ đen nhị phân: Quỹ đạo xoắn ốc dài bắt đầu rất xa trong quá khứ, lớn dần lên một cách rõ rệt khi hai lỗ đen tiến đến sát nhập với nhau. Khi hai lỗ đen sát nhập, các hiệu ứng đa dạng sẽ cho ta cái nhìn sâu sắc hơn về thuyết tương đối tổng quát, và các vật thể được chúng ta quan sát bằng sóng hấp dẫn. Giai đoạn tắt dần (ringdown) có sự suy giảm rất nhanh trong kích thước của sóng hấp dẫn khi hệ sao sát nhập dữ dội này lắng xuống - nó có âm thanh như một tiếng trống.

Khi các ngôi sao quay quanh nhau, chúng tiếp tục tạo ra sóng hấp dẫn, dần dần tiến đến gần nhau hơn, di chuyển nhanh hơn. Giai đoạn này trong cuộc gặp gỡ được gọi là “quỹ đạo xoắn ốc” (inspiral -trong thiên văn học, thuật ngữ inspiral dùng để mô tả đường đi của một cặp sao nhị phân đang bị mất năng lượng, và đang tiến lại gần nhau theo một quỹ đạo xoắn ốc). Biên độ và tần số của sóng hấp dẫn sẽ tăng dần (sóng hấp dẫn sẽ trở nên lớn hơn và thường xuyên hơn), cho đến khi các ngôi sao gần như chạm vào nhau. Tại thời điểm này, một sự sát nhập hỗn loạn của hai vật thể sẽ diễn ra. Cuối cùng, một vật thể kết hợp sẽ tiếp tục quay, tạo ra sóng hấp dẫn tắt dần nhanh chóng trong phần được gọi là “ringdown” (vật thể mới được sinh ra từ sự kết hợp của hai vật thể đặc sẽ chuyển từ hình dạng thon dài sang hình dạng “phẳng” - tức là có dạng phỏng cầu).

Các nhà vật lý học biết rằng những cặp sao đặc này tồn tại. Trong thực tế, một cặp nhị phân đã từng được sử dụng để minh chứng cho sự hiện diện của sóng hấp dẫn. Năm 1993, Russell Hulse và Josseph Taylor đã nhận được giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu này. Họ đã sử dụng các quan sát hướng đến một cặp nhị phân có chứa một sao xung (pulsar), với một ngôi sao đặc đồng hành. Các ánh chớp đều đặn của ngôi sao xung đến sớm hơn hoặc chậm hơn một chút so với thông thường, tuỳ thuộc vào việc ngôi sao xung đang di chuyển trong một vũ điệu với ngôi sao khác. Thời gian của những biến động này mang lại một sự đo đạc trực tiếp thời gian của quỹ đạo. Hulse và Taylor đã cho thấy rằng quỹ đạo của cặp nhị phân này có chu kỳ ngắn dần sau mỗi vòng - chính xác với tiên đoán của lý thuyết tương đối tổng quát - khi cặp nhị phân tạo ra năng lượng dưới dạng sóng hấp dẫn trong phần “quỹ đạo xoắn ốc” chậm của cuộc gặp gỡ giữa hai ngôi sao.

Nguồn: SXS

(Còn tiếp...)

Mục lục

Author: Hien PHAN
Nguyên chủ nhiệm CLB Thiên văn Bách khoa - PAC (nay là CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC); Nghiên cứu sinh ngành Vật lý thiên văn tại APC Laboratory, Paris Diderot University, Cộng hòa Pháp.