Ê xém, nghe này cực phê luôn! Cái hiện tượng này có thể giúp tìm ra hẳn một loại hạt siêu nhẹ mới toanh, đồng thời cung cấp info trực tiếp về khối lượng và trạng thái của những đám mây "nguyên tử hấp dẫn" nữa đó
Nhớ không, ngày 11/2/2016 là ngày lịch sử đấy! Hội nhà khoa học tại Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) lần đầu tiên công bố phát hiện ra sóng hấp dẫn. Đúng như lời tiên đoán từ Thuyết tương đối rộng của Einstein luôn - những sóng này sinh ra từ việc các vật thể khối lượng khủng hợp nhất với nhau, tạo ra những gợn sóng trong không thời gian mà mình có thể detect được
Từ đó đến giờ, các nhà vật lý thiên văn đã nghĩ ra vô vàn cách để dùng sóng hấp dẫn nghiên cứu vật lý ngoài các mô hình chuẩn về lực hấp dẫn và vật lý hạt, đồng thời nâng level hiểu biết của mình về vũ trụ nè
Cho đến giờ, sóng hấp dẫn đã được đề xuất làm công cụ nghiên cứu vật chất tối, khám phá bên trong sao neutron, siêu tân tinh, sự hợp nhất giữa các lỗ đen siêu to khổng lồ, v.v. Ngầu chưa!
Trong một nghiên cứu gần đây, hội nhà vật lý từ Đại học Amsterdam và Đại học Harvard đã đưa ra cách xài sóng hấp dẫn để tìm kiếm các boson (một trong hai loại hạt cơ bản trong tự nhiên) siêu nhẹ xung quanh các lỗ đen đang quay. Method này không chỉ giúp phân biệt các thuộc tính của lỗ đen nhị phân mà còn có thể dẫn đến việc phát hiện ra các hạt mới ngoài Mô hình Chuẩn - Standard Model đấy!
Nghiên cứu này do các nhà nghiên cứu tại Vật lý hạt thiên văn hấp dẫn Amsterdam (GRAPPA), thuộc Đại học Amsterdam thực hiện, có sự support từ Trung tâm Vật lý Lý thuyết và Trung tâm Khoa học Lý thuyết Quốc gia tại Đại học Đài Bắc, và Đại học Harvard. Kết quả của nghiên cứu với tiêu đề "Những tín hiệu sắc nét của đám mây Boson trong Hố đen Binary Inspiral" đã được đăng trên tạp chí Physical Review Letters rồi nha
Fun fact mọi người đều biết: vật chất bình thường sẽ rơi vào lỗ đen theo thời gian, tạo thành một đĩa bồi tụ xung quanh rìa ngoài của nó (còn gọi là Chân trời sự kiện). Đĩa này được tăng tốc đến mức kinh hoàng, khiến vật chất bên trong trở nên siêu nóng và giải phóng một lượng bức xạ khổng lồ trong khi từ từ được bồi tụ lên mặt lỗ đen. Tuy nhiên, trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học phát hiện rằng các lỗ đen sẽ giảm một phần khối lượng thông qua quá trình gọi là "superradiance"
Superradiance, hay còn gọi là siêu liên kết, là các hiệu ứng tăng cường bức xạ trong một số bối cảnh bao gồm cơ học lượng tử, vật lý thiên văn và thuyết tương đối.
Hiện tượng này được nghiên cứu bởi Stephen Hawking đấy! Ông đã mô tả cách các lỗ đen quay phóng ra bức xạ trông "thật" với người quan sát ở gần, nhưng "ảo" với người ở xa. Trong quá trình truyền bức xạ từ hệ quy chiếu này sang hệ quy chiếu khác, chính gia tốc của hạt sẽ làm cho hạt chuyển từ ảo sang thực
Dạng năng lượng kỳ lạ này, được gọi là "Bức xạ Hawking", sẽ tạo thành các đám mây gồm các hạt khối lượng thấp xung quanh lỗ đen. Điều này dẫn đến "nguyên tử hấp dẫn" - "gravitational atom" - được đặt tên như vậy vì chúng giống với nguyên tử thông thường (các đám mây hạt bao quanh lõi)
Các nhà khoa học biết rằng hiện tượng này xảy ra, nhưng nó chỉ có thể được giải thích thông qua sự tồn tại của một hạt siêu nhẹ mới nằm ngoài Mô hình Chuẩn!
Đây chính là trọng tâm của bài báo mới, trong đó tác giả chính Daniel Baumann (GRAPPA và Đại học Đài Bắc) cùng team đã kiểm tra cách superradiance gây ra các đám mây boson siêu nhẹ không ổn định hình thành xung quanh lỗ đen một cách tự nhiên. Ngoài ra, họ cho rằng sự tương đồng giữa nguyên tử hấp dẫn và nguyên tử thông thường còn sâu xa hơn cấu trúc của chúng
Sóng hấp dẫn (Gravitational wave) là những dao động nhấp nhô bởi độ cong của cấu trúc không-thời gian thành các dạng sóng lan truyền ra bên ngoài từ sự thăng giáng các nguồn hấp dẫn, và những sóng này mang năng lượng dưới dạng bức xạ hấp dẫn.
Tóm lại nè, họ cho rằng lỗ đen nhị phân có thể khiến các hạt trong đám mây của chúng bị ion hóa thông qua hiệu ứng quang điện. Như Einstein đã mô tả, điều này xảy ra khi năng lượng điện từ (như ánh sáng) chạm vào một vật liệu, khiến nó phát ra các electron bị kích thích (quang điện tử)
Khi áp dụng cho lỗ đen nhị phân, Baumann và team đã chỉ ra cách các đám mây boson siêu nhẹ có thể hấp thủ "năng lượng quỹ đạo" của "người bạn đồng hành" trong lỗ đen. Điều này sẽ khiến một số boson bị đẩy ra và tăng tốc
Cuối cùng, họ đã chứng minh quá trình này có thể làm thay đổi đáng kể sự tiến hóa của các lỗ đen nhị phân. Theo lời họ:
"Năng lượng quỹ đạo bị mất trong quá trình này có thể lấn át tổn thất do phát xạ GW (Gravitational wave - Sóng hấp dẫn), do đó quá trình ion hóa thúc đẩy quá trình phát triển không chỉ đơn thuần làm nó xáo trộn. Chúng tôi cho thấy rằng sức mạnh ion hóa có chứa các đặc điểm sắc nét dẫn đến 'đường gấp khúc' đặc biệt trong sự phát triển của tần số GW phát ra".
Họ lập luận rằng "những đường gấp khúc" này sẽ dễ nhận ra với các giao thoa kế sóng hấp dẫn thế hệ tiếp theo như Ăng-ten không gian giao thoa kế laser (LISA). Quá trình này có thể được xài để khám phá một lớp hạt siêu nhẹ hoàn toàn mới và cung cấp info trực tiếp về khối lượng và trạng thái của các đám mây "nguyên tử hấp dẫn"
Nói chung là, các nghiên cứu liên tục về sóng hấp dẫn dùng các giao thoa kế nhạy hơn có thể hé lộ các hiện tượng vật lý kỳ lạ giúp nâng cao hiểu biết của mình về lỗ đen và dẫn đến những đột phá mới trong vật lý hạt!
Trong những năm tới, các nhà vật lý thiên văn hy vọng sẽ xài chúng để thăm dò những môi trường khắc nghiệt nhất trong vũ trụ, như lỗ đen và sao neutron. Họ cũng hy vọng rằng sóng hấp dẫn nguyên thủy sẽ tiết lộ những điều về vũ trụ sơ khai, giúp giải quyết bí ẩn về sự mất cân bằng vật chất/phản vật chất, và dẫn đến một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn mới
Tham khảo: Inverse
Nguồn: soha.vn