Giới hạn tốc độ mới cho những vụ va chạm khắc nghiệt nhất trong vũ trụ

Các nhà nghiên cứu đã xác định được giới hạn tốc độ mới cho những vụ va chạm khắc nghiệt nhất trong vũ trụ.

Theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, “tốc độ giật lùi tối đa có thể có” khi các hố đen va chạm vượt quá con số khổng lồ 102 triệu km/giờ – khoảng 1/10 tốc độ ánh sáng.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu hy vọng có thể chứng minh về mặt toán học rằng, vận tốc này không thể vượt quá bằng cách sử dụng các phương trình của thuyết tương đối Einstein, đặt ra những hàm ý tiềm tàng cho các định luật cơ bản của vật lý.

Theo các tác giả nghiên cứu, đỉnh điểm này xảy ra khi các điều kiện va chạm ở điểm bùng phát giữa hai hố đen hoặc hợp nhất với nhau hoặc phân tán khi chúng tiến lại gần nhau.

Đồng tác giả nghiên cứu Carlos Lousto, giáo sư toán học và thống kê tại Viện Công nghệ Rochester (RIT) ở New York, Mỹ, cho biết: “Chúng tôi chỉ đang phác thảo bề mặt của một thứ có thể là một mô tả phổ quát hơn. Giới hạn tốc độ mới được phát hiện này có thể là một phần của một tập hợp lớn hơn các định luật vật lý ảnh hưởng đến mọi thứ “từ vật thể nhỏ nhất đến vật thể lớn nhất trong vũ trụ”.

Khi hai hố đen đi qua gần nhau, chúng sẽ hợp nhất hoặc chuyển hướng quanh khối tâm chung trước khi bay ra xa nhau. Việc các hố đen bay ra xa nhau hay xoắn ốc vào nhau tùy thuộc vào sự tách biệt của chúng tại điểm tiếp cận gần nhất.

Để xác định tốc độ giật lùi tối đa có thể có của các hố đen bay ra xa nhau, Lousto và đồng tác giả nghiên cứu James Healy, một cộng tác viên nghiên cứu tại Trường Toán học và Thống kê RIT, đã sử dụng siêu máy tính để chạy mô phỏng số. Những tính toán này đã thực hiện các phương trình của thuyết tương đối rộng mô tả cách hai hố đen tương tác sẽ phát triển như thế nào.

Lousto giải thích rằng, mặc dù người ta bắt đầu cố gắng giải các phương trình này bằng số từ hơn 50 năm trước, nhưng các kỹ thuật số để dự đoán kích thước của sóng hấp dẫn từ những va chạm như vậy vẫn chưa được phát triển cho đến tận năm 2005, chỉ 10 năm trước khi sóng hấp dẫn được phát hiện lần đầu tiên bởi Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO).

Kể từ đó, LIGO đã quan sát được gần 100 vụ va chạm hố đen. So sánh dữ liệu của một vụ va chạm như vậy với dữ liệu tương đối số cho thấy quỹ đạo của hố đen "lệch tâm" hoặc hình elip.

Trước đây, các nhà khoa học nghĩ rằng, các hố đen tiến lại gần nhau sẽ xoắn ốc về phía nhau theo quỹ đạo gần tròn. Việc phát hiện ra các quỹ đạo hình elip đã mở rộng phạm vi các sự kiện va chạm có thể xảy ra và thúc đẩy họ tìm kiếm các kịch bản va chạm cực đoan.

Imre Bartos, Phó Giáo sư tại Khoa Vật lý tại Đại học Florida, Mỹ cho biết: “Sự giật lùi của các hố đen sau khi chúng hợp nhất là một phần quan trọng trong sự tương tác của chúng”. Sự tương tác này đặc biệt có ý nghĩa đối với những nơi trong vũ trụ có mật độ hố đen cao, vì những cú giật lùi lớn có thể trục xuất hoàn toàn một lỗ đen còn sót lại khỏi khu vực.

Vật lý cơ bản mới

Theo Lousto, “điểm tới hạn” quyết định liệu hai hố đen đang va chạm sẽ hợp nhất hay giật lùi có thể dẫn đến một chút biến đổi trong quỹ đạo của các hố đen.

Vì lý do này, Lousto ví sự tương tác với một quá trình chuyển pha trơn tru, giống như sự chuyển pha bậc hai của từ tính và tính siêu dẫn, trái ngược với sự chuyển pha bậc một bùng nổ của nước nóng, chẳng hạn, trong đó một lượng ẩn nhiệt hữu hạn được hấp thụ trước khi nó sôi lên.

Các nhà nghiên cứu cũng thoáng thấy những gì có thể giống với đặc điểm của các yếu tố tỷ lệ của các chuyển đổi pha này, mặc dù cần có thêm các mô phỏng có độ phân giải cao hơn để xác định rõ ràng những yếu tố này.

Tuy nhiên, những khía cạnh này của kết quả gợi ý về khả năng có “một nguyên lý bao trùm” áp dụng trên mọi quy mô từ nguyên tử đến các hố đen va chạm, Lousto cho biết.