VỤ VA CHẠM LỖ ĐEN NẶNG NHẤT KHÔNG DIỄN RA TRÊN QUỸ ĐẠO TRÒN

Ngày 23 tháng 11 năm 2023, các đài quan sát LIGO tại Hanford và Livingston đã ghi nhận GW231123, vụ hợp nhất của hai lỗ đen có khối lượng lớn nhất được báo cáo cho đến nay. Giả định quỹ đạo tròn, phân tích chuẩn cho ra khối lượng khoảng 137 và 101 lần khối lượng Mặt Trời, cả hai đều quay cực nhanh.

Những con số này gây khó xử. Lỗ đen nhỏ hơn rơi vào cái gọi là khoảng trống khối lượng do bất ổn định cặp (pair-instability mass gap), một dải khối lượng mà sự sụp đổ thông thường của một ngôi sao khó tạo ra. Một cách lách qua là hợp nhất phân cấp: trong một môi trường đông đúc như một cụm sao dày đặc, tàn dư của một vụ hợp nhất ở lại quanh đó và sau này lại hợp nhất lần nữa. Bài báo cũng ghi nhận một manh mối hữu ích: khi hai lỗ đen có khối lượng tương tự và quay rất ít hợp nhất, tàn dư thường quay ở giá trị khoảng 0,7, trên thang không thứ nguyên mà các nhà vật lý sử dụng, trong đó giá trị gần 1 nghĩa là quay gần cực đại.

Chỉ vài chu kỳ

GW231123 rất ngắn: chỉ vài chu kỳ sóng đo được trước cú lao cuối cùng. Điều đó khiến việc diễn giải nó rất nhạy với mô hình dạng sóng. Một tính chất đặc biệt khó xác định: độ lệch tâm, mức độ bầu dục của quỹ đạo. Việc phát xạ sóng hấp dẫn có xu hướng làm tròn quỹ đạo của các cặp già và cô lập, nhưng những cuộc chạm trán gần trong môi trường dày đặc có thể để lại một chút độ lệch tâm. Chỉ qua vài chu kỳ, một quỹ đạo bầu dục có thể bắt chước sự chao đảo của các lỗ đen đang quay. Nếu một mô hình bỏ qua độ lệch tâm, dấu vết của nó có thể bị các thông số quay hấp thụ.

Bắt đầu thấp hơn, thấy nhiều hơn

Baoxiang Wang và Tao Yang tại Đại học Vũ Hán, cùng các đồng nghiệp từ Đại học Sư phạm Bắc Kinh, Viện Vật lý Hấp dẫn Max Planck ở Potsdam và Đại học Ninh Ba, đã phân tích lại dữ liệu công khai bằng một mô hình dạng sóng cho phép cả độ lệch tâm lẫn chuyển động quay tuế sai. Khác biệt then chốt: với máy dò Hanford, vốn có dữ liệu công khai đã được làm sạch một nhiễu đột biến (glitch), họ bắt đầu từ 11 hertz thay vì 20. Độ lệch tâm lớn hơn ở tần số thấp hơn, nên phần đầu này của tín hiệu là quan trọng nhất.

Độ lệch tâm của quỹ đạo thu được là 0,34, được xác định tại tần số 5,5 hertz.
Mô hình lệch tâm được ủng hộ với hệ số Bayes 10,2: dữ liệu được giải thích tốt hơn khoảng mười lần bởi một quỹ đạo bầu dục so với một quỹ đạo tròn.
Khi bắt đầu từ 20 hertz như các nghiên cứu trước, họ chỉ thấy rất ít độ lệch tâm — phù hợp với các nghiên cứu đó.

Để kiểm chứng, họ dựng một GW231123 giả có quỹ đạo bầu dục và phân tích nó theo cùng cách. Nó hành xử giống hệt sự kiện thật: rõ ràng lệch tâm khi bắt đầu từ 11 hertz, ít hơn nhiều khi bắt đầu từ 20. Bắt đầu quá cao có thể che giấu một quỹ đạo bầu dục.

Câu đố về chuyển động quay được nới lỏng

Việc tính đến độ lệch tâm thay đổi lỗ đen nhỏ hơn nhiều nhất. Tốc độ quay của nó giảm từ 0,90 trong phân tích quỹ đạo tròn xuống khoảng 0,74, gần với giá trị 0,7 kỳ vọng cho tàn dư của một vụ hợp nhất trước đó. Tín hiệu giả cũng cho thấy hiệu ứng tương tự: khi được phân tích như quỹ đạo tròn, lỗ đen nhỏ hơn của nó trông như quay nhanh hơn thực tế.

Lỗ đen lớn hơn vẫn quay nhanh trong cả hai trường hợp, và khối lượng của nó khó phù hợp với một nguồn gốc thế hệ thứ hai đơn giản. Vì vậy, hai lỗ đen có thể có lịch sử khác nhau: lỗ đen nhỏ có thể là con của hai lỗ đen trước đó, lỗ đen lớn hình thành theo một cách khác. Thêm khả năng có một thấu kính hấp dẫn dọc theo đường ngắm cũng không làm thay đổi kết quả lệch tâm.

Điều gì thay đổi

Các nghiên cứu trước đã dùng lỗ đen nhỏ hơn của GW231123 để xác định cận trên của khoảng trống khối lượng do bất ổn định cặp. Các tác giả lập luận rằng nếu bản thân lỗ đen đó là sản phẩm của một vụ hợp nhất, khối lượng của nó không thể tự mình xác định cận đó. Hệ số Bayes bằng 10 là một gợi ý chứ không phải bằng chứng — chính các tác giả lưu ý rằng những tín hiệu thực sự lệch tâm không phải lúc nào cũng cho mức ủng hộ mạnh khi tín hiệu ngắn. Họ kết luận rằng khi ranh giới của một quần thể dựa vào một vài sự kiện bất thường, những giả định về dạng sóng đằng sau các sự kiện đó có ý nghĩa trực tiếp.