Nghiên cứu tiên đoán sự phân bố của các nguồn phát sóng hấp dẫn

Hiệp Khách Quậy Một cặp sao nơ-trôn đang chuyển động theo quỹ đạo xoáy ốc quanh khối tâm của hệ cho đến khi chúng thâm nhập vào nhau bởi một vụ nổ khủng khiếp, sẽ tạo ra các luồn sóng hấp dẫn có thể dò thấy được. Một nghiên cứu mới được lãnh đạo bởi một sinh viên năm cuối tại phân nhánh Santa Cruz của trường Đại học... Xin mời đọc tiếp.

Một cặp sao nơ-trôn đang chuyển động theo quỹ đạo xoáy ốc quanh khối tâm của hệ cho đến khi chúng thâm nhập vào nhau bởi một vụ nổ khủng khiếp, sẽ tạo ra các luồn sóng hấp dẫn có thể dò thấy được. Một nghiên cứu mới được lãnh đạo bởi một sinh viên năm cuối tại phân nhánh Santa Cruz của trường Đại học California (viết tắt UCSC-giống như phân nhánh đại học Bách khoa của Đại học Quốc gia ở VN), lần đầu tiên tiên đoán được nơi mà một vụ xâm nhập như vậy xảy ra ở thiên hà địa phương hàng xóm của chúng ta.

merger-400

Sự thâm nhập của các hệ đôi như sao nơ-trôn hay lỗ đen là những nguồn phát sóng hấp dẫn mạnh nhất trong vũ trụ. (Ảnh:Stephan Rosswog và Enrico Ramirez-Ruiz)

Theo Enrico Ramirez-Ruiz, giáo sư hướng dẫn thiên văn và thiên văn vật lý tại UCSC, kết quả này cung cấp nhiều thông tin hữu ích cho các nhà nghiên cứu dò tìm sóng hấp dẫn như Phòng nghiên cứu sóng hấp dẫn dùng hiện tượng giao thoa của các chùm la-de(gọi tắt là LIGO) đặt tại Louisiana và Washington. "Đây là một kết quả rất quan trọng, nó làm thay đổi một cách cơ bản cách thức tổ chức các thí nghiệm về sóng hấp dẫn hiện nay," Ruiz cho biết.

Luke Zoltan Kelley, sinh viên năm cuối của UCSC cùng làm việc với Ruiz, là tác giả đứng tên của bài báo mô tả phát kiến mới, được xuất bản ngày 10 tháng 12 trong ấn phẩm của  và hiện đang được đăng tải online.

Chìa khóa của tiên đoán này là thuyết tương đối tổng quát của Einstein, sóng hấp dẫn là những gợn sóng của bộ khung không thời gian khi có sự chuyển động của các vật nặng trong nó. Các nhà khoa học vẫn chưa dò được sóng hấp dẫn một cách trực tiếp vì chúng quá yếu và bị phân hủy rất nhanh, nhưng một kế hoạch vừa được nâng cấp cho LIGO được chờ đợi sẽ tăng đáng kể độ nhạy của thiết bị. Những hệ đôi liên kết như các cặp sao nơ-trôn, 2 lỗ đen hoặc cả hai loại này tạo thành một cặp là những ứng cử viên khả dĩ nhất bức xạ sóng hấp dẫn có thể được dò thấy bởi LIGO hoặc các thí nghiệm hiện nay.

Kelly nghiên cứu một hệ như vậy nhưng dưới một góc nhìn khác: Hai vật không chỉ chuyển động quay quanh nhau mà chúng còn chuyển động hướng vào nhau (xoáy ốc-hình vẽ), tâm khối lượng của chúng chuyển động với vận tốc trên 200km/s.

"Khi hai vật xâm nhập vào nhau, chúng ở rất xa vị trí mà chúng được sinh ra," Kelly cho biết.

Đây là kết quả cho những nổ lực quan sát những sự xâm nhập bức ra sóng hấp dẫn. Các nhà khoa học hi vọng có thể bắt được các tín hiệu khả quan tại các phòng thí nghiệm sóng hấp dẫn nhờ vào các quan sát thiên văn về sự kiện xâm nhập kiểu này. Nghiên cứu mới cũng cho thấy, các nhà thiên văn có thể không muốn nhìn vào các thiên hà gần nhất hòng tìm thấy sóng hấp dẫn ở gần thang quang học (gần bước sóng ánh sáng nhìn thấy).

"Tiên đoán của chúng tôi chỉ ra rằng bảng liệt kê các công dụng của thiên hà dùng trong việc dò tìm sóng hấp dẫn cần được bổ sung khả năng của các vụ xâm nhập thiên hà nằm cách xa các thiên hà đã quan sát thấy," Ruiz cho biết.

"Cú hích" đẩy các cặp đôi thiên thể này ra xa nơi chúng được sinh ra đến từ một sự bất đối xứng nhỏ trong vụ nổ siêu tân tinh sinh ra các sao nơ-trôn hay lỗ đen này. Khi một sao nặng nổ tung, nhân của nó sẽ co sụp lại thành 1 sao nơ trôn hoặc một lỗ đen. Theo Kelly, chỉ với một phần trăm bất đối xứng trong vụ nổ siêu tân tinh có thể tạo ra vận tốc khoảng 1000km/s.

"Đó là mức lớn nhất của vận tốc được quan sát thấy cho các sao nơ-trôn và các pulsar chuyển động một mình," anh cho biết. "Trong những hệ thống ghép đôi, vận tốc "kích" lên khối tâm của hệ nhỏ đi đáng kể, khoảng 200km/s nhưng với độ bất định cao."

Các nhà nghiên cứu sử dụng một mô phỏng vũ trụ chuẩn của vật chất tối và sự tạo thành các cấu trúc vũ trụ để nghiên cứu các vận tốc "kích" khác nhau ảnh hưởng như thể nào đến phân bố của các hệ sao đôi đang hợp nhất. Mô phỏng chạy trên một siêu máy tính đặt ở UCSC cho thấy sự hình thành các quầng vật chất tối mà lực hút hấp dẫn của nó được cho là chi phối sự hình thành của các thiên hà. Các nhà nghiên cứu làm cho các quầng tinh nặng hơn bằng việc mang vào đó các hạt đậm vết biểu diễn cho các hệ thống đôi(sao nơ trôn hoặc lỗ đen). Trong những lần chạy riêng biệt, họ thay đổi vận tốc của các hệ đôi này.

Sau khi chạy mô hình để mô phỏng 13,8 tỉ năm (tuổi của vũ trụ), Kelly tìm thấy một miền giống với vũ trụ trong khu vực chúng ta đang sống, với một thiên hà cùng cỡ với Ngân hà, vây quanh bởi các thiên hà hàng xóm. Sau đó, anh tạo một bức ảnh của bầu trời mà các nhà thiên văn quan sát thấy trong vũ trụ mô phỏng này, cho thấy vụ trí của các hêj đôi và các thiên hà địa phương.

Kết qủa cho thấy sự biến dổi vận tốc kích dẫn đến sự khác nhau đáng chú ý trong phân bố của các hệ đôi. Nếu những vụ xâm nhập của các hệ đôi xảy ra cách xa bề mặt sáng của thiên hà, nó có thể được dò thấy bởi một kính thiên văn tổng hợp(survey telescope) như LSST(Large Synoptic Survey Telescope). Khi đó, những kế hoạch quan sát sóng hấp dẫn sẽ biết được khi nào và ở đâu có thể bắt được các dữ liệu về loại sóng bí ẩn này, Ruiz cho biết.

Ông cùng với các cộng sự ở USCS, bao gồm nhà vật lý thiên văn lý thuyết Stan Woosley và sinh viên Luke Roberts, đang cố gắng chỉ ra các tín hiệu quang học của sự kiện xâm nhập của các hệ thống đôi sẽ trông như thế nào. "Dò tìm các thành phần quang học của các tín hiệu hấp dẫn sẽ dễ hơn rất nhiều nếu chúng không nằm trong các thiên hà." Ruiz kết luận.

Theo Tim Stephens (Physorg.com)

Mời đọc thêm