Buzz
Quá trình này có thể mở ra cánh cửa để khám phá một loại hạt siêu nhẹ hoàn toàn mới và cung cấp thông tin trực tiếp về khối lượng và trạng thái của các đám mây 'nguyên tử hấp dẫn'.
Vào ngày 11 tháng 2 năm 2016, các nhà nghiên cứu tại Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) đã công bố lần đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn. Theo dự đoán từ Thuyết tương đối rộng của Einstein, những sóng này là kết quả của việc các vật thể khối lượng lớn hợp nhất lại, gây ra những gợn sóng trong không gian và thời gian mà chúng ta có thể phát hiện được.
Kể từ đó, các nhà vật lý thiên văn đã đưa ra lý thuyết về vô số cách mà sóng hấp dẫn có thể được sử dụng để nghiên cứu vật lý ngoài các mô hình tiêu chuẩn của lực hấp dẫn và vật lý hạt, đồng thời nâng cao hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Cho đến nay, sóng hấp dẫn đã được đề xuất như một phương tiện nghiên cứu vật chất tối, hoặc những gì bên trong sao neutron, siêu tân tinh, sự hợp nhất giữa các lỗ đen siêu lớn, và nhiều hơn nữa.
Trong một nghiên cứu mới đây, một nhóm các nhà vật lý từ Đại học Amsterdam và Đại học Harvard đã đề xuất một cách mà sóng hấp dẫn có thể được sử dụng để tìm kiếm các boson (một trong hai loại hạt cơ bản trong tự nhiên) siêu nhẹ xung quanh các lỗ đen đang quay. Phương pháp này không chỉ đưa ra một cách mới để 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.
Nghiên cứu sau đó tiếp tục được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Vật lý hạt thiên văn hấp dẫn Amsterdam (GRAPPA), thuộc Đại học Amsterdam, với sự hỗ trợ của 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 đã được xuất bản 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.
Một sự thật phổ biến là vật chất bình thường sẽ bị hút vào các lỗ đen theo thời gian, tạo ra một đĩa bồi tụ quanh rìa của chúng (hay còn gọi là Chân trời sự kiện). Đĩa này sẽ tăng tốc đến tốc độ đáng kinh ngạc, làm cho vật chất bên trong trở nên cực nóng và phát ra một lượng bức xạ lớn trong khi từ từ bồi tụ lên mặt lỗ đen. Tuy nhiên, trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học đã quan sát thấy rằng các lỗ đen sẽ giảm một phần khối lượng của chúng thông qua một quá trình được gọi là 'siêu phản xạ'.
Hiện tượng này đã được nghiên cứu bởi Stephen Hawking, người đã mô tả cách các lỗ đen quay sẽ phóng ra bức xạ nhìn 'thật' với một người quan sát gần, nhưng lại nhìn 'ảo' với một người ở xa. Trong quá trình truyền bức xạ từ hệ quy chiếu này sang hệ quy chiếu khác, gia tốc của hạt sẽ làm cho chúng chuyển từ ảo sang thực. Dạng năng lượng này, được gọi là 'Bức xạ Hawking', sẽ tạo ra các đám mây gồm các hạt có khối lượng thấp xung quanh một lỗ đen. Điều này dẫn đến 'nguyên tử hấp dẫn', được đặt tên như vậy vì chúng tương tự như các nguyên tử thông thường (các đám mây hạt bao quanh lõi).
Mặc dù các nhà khoa học hiểu rằng hiện tượng này xảy ra, họ cũng nhận ra rằng chỉ có thể giải thích thông qua sự tồn tại của một hạt siêu nhẹ mới tồn tại ngoài Mô hình Chuẩn. Điều này là trọng tâm của một bài báo mới, trong đó tác giả chính Daniel Baumann (GRAPPA và Đại học Đài Bắc) và các đồng nghiệp đã nghiên cứu cách siêu âm gây ra các đám mây boson siêu nhẹ không ổn định hình thành xung quanh các lỗ đen một cách tự nhiên. Ngoài ra, họ cũng lý giải rằng sự tương đồng giữa nguyên tử hấp dẫn và nguyên tử thông thường đi sâu hơn vào cấu trúc của chúng.
Tóm lại, họ cho rằng lỗ đen nhị phân có thể làm cho 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) tác động vào một vật liệu, làm kích thích electron (quang điện tử). Khi được áp dụng cho một lỗ đen nhị phân, Baumann và các đồng nghiệp đã chỉ ra cách các đám mây boson siêu nhẹ có thể hấp thụ năng lượng quỹ đạo của một 'đồng hành' trong lỗ đen. Điều này sẽ đẩy một số boson ra ngoài và tăng tốc chúng.
Cuối cùng, họ đã chứng minh rằng quá trình này có thể thay đổi đáng kể sự tiến hóa của các lỗ đen nhị phân. Như họ nói:
Trong quá trình này, sự mất đi của năng lượng quỹ đạo có thể vượt qua tổn thất do phát ra sóng hấp dẫn (GW), dẫn đến việc quá trình ion hóa không chỉ đơn thuần gây ra sự rối loạn. Chúng tôi chỉ ra rằng sức mạnh của ion hóa chứa đựng những đặc điểm sắc nét, tạo ra 'đường gấp khúc' đặc biệt trong tần số phát ra của sóng hấp dẫn.
Nhóm nghiên cứu lý luận rằng những 'đường gấp khúc' này sẽ dễ dàng nhận biết trong các quan sát giao thoa sóng hấp dẫn của thế hệ tiếp theo, như Ăng-ten không gian giao thoa laser (LISA). Quá trình này có thể dùng để khám phá một loại hạt siêu nhẹ hoàn toàn mới và cung cấp thông tin trực tiếp về khối lượng và trạng thái của các đám mây 'nguyên tử hấp dẫn'. Tóm lại, các nghiên cứu liên quan đến sóng hấp dẫn sử dụng các thiết bị quan sát nhạy hơn có thể tiết lộ những hiện tượng vật lý kỳ lạ, từ đó nâng cao hiểu biết về lỗ đen và tạo ra những đột phá mới trong vật lý hạt.
Trong thập kỷ sắp tới, các nhà vật lý thiên văn hi vọng sẽ sử dụng chúng để khám phá những môi trường khắc nghiệt nhất trong vũ trụ, như lỗ đen và sao neutron. Họ cũng kỳ vọng rằng sóng hấp dẫn nguyên thủy sẽ giúp họ hiểu rõ hơn về vũ trụ sơ khai, giải quyết bí ẩn về sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất, và mở ra một lý thuyết lượng tử mới về lực hấp dẫn.
Tham khảo: Inverse
