Ngày 4 tháng 1 năm 2025, các nhà khoa học của LIGO và Virgo công bố một tín hiệu sóng hấp dẫn bất thường, đặt tên là GW250114. Tín hiệu này mạnh đến mức không chỉ xác nhận có hai hố đen hợp nhất, mà còn cho chúng ta một cơ hội hiếm hoi: trực tiếp kiểm chứng những lý thuyết nền tảng về hố đen mà Stephen Hawking và thuyết tương đối rộng của Einstein đã dự đoán từ nửa thế kỷ trước.
Câu hỏi đặt ra ngay lập tức: khi hai hố đen hợp nhất, chúng tuân theo những quy luật nào? Liệu có đúng rằng diện tích bề mặt “chân trời sự kiện” của chúng không bao giờ giảm? Và hố đen mới hình thành có thực sự mang những đặc tính “chuẩn Kerr” như lý thuyết đã khẳng định?
Xem thêm:
Các nhà khoa học chạm gần hơn đến câu hỏi: Sao Hỏa từng có sự sống?
Bước ngoặt tìm dấu vết sự sống trên Sao Hỏa
Lý thuyết hố đen và định luật diện tích của Hawking qua sự kiện sóng hấp dẫn
Để hiểu được sự kiện này, cần quay lại một khái niệm quan trọng: chân trời sự kiện. Đây là ranh giới vô hình xung quanh hố đen, nơi không gì – kể cả ánh sáng – có thể thoát ra. Stephen Hawking từng đưa ra một định luật nổi tiếng: tổng diện tích chân trời sự kiện của các hố đen không bao giờ giảm theo thời gian. Nói cách khác, khi hai hố đen hợp nhất, diện tích “bao quanh” chúng phải lớn hơn hoặc ít nhất bằng tổng diện tích ban đầu.
Bạn có thể hình dung điều này giống như khi trộn hai giọt nước: giọt nước mới luôn lớn hơn, không bao giờ nhỏ lại. Đó là một cách đơn giản để cảm nhận “định luật diện tích” trong thế giới cực đoan của vũ trụ.
Bên cạnh Hawking, một lý thuyết khác cũng được kiểm chứng trong sự kiện này là lý thuyết Kerr. Theo giải pháp Kerr trong thuyết tương đối rộng, một hố đen ổn định chỉ có hai thông số để mô tả: khối lượng và momen xoay (spin). Tất cả những gì từng tạo nên hố đen – sao khổng lồ, khí plasma, hay bụi vũ trụ – đều biến mất, chỉ để lại hai đặc điểm này.
Điều đó có nghĩa: hố đen giống như một nhạc cụ chỉ ngân vang một giai điệu duy nhất. Sau hợp nhất, nó rung lên (ringdown) theo những tần số đặc trưng, gọi là quasinormal modes, và từ những dao động này, chúng ta có thể kiểm chứng hố đen mới có thực sự “chuẩn Kerr” hay không.
Tín hiệu GW250114 mạnh đến mức cho phép các nhà khoa học phân tích cả hai giai đoạn: Trước hợp nhất (inspiral): hai hố đen quay quanh nhau, dần tiến lại gần. Từ tín hiệu này, họ tính được khối lượng ban đầu: khoảng 33,6 và 32,2 lần khối lượng Mặt Trời. Sau hợp nhất (ringdown): hố đen mới hình thành rung lên như một chiếc chuông khổng lồ. Âm vang của nó cho phép xác định khối lượng và tốc độ xoay còn lại.
Khi so sánh diện tích chân trời sự kiện trước và sau, kết quả thật rõ ràng: tổng diện tích sau hợp nhất lớn hơn hẳn so với trước đó. Định luật diện tích của Hawking đã được vũ trụ xác nhận.
Không dừng lại ở đó, phổ dao động thu được từ ringdown cũng khớp chặt chẽ với dự đoán của lý thuyết Kerr. Nghĩa là, hố đen mới thực sự chỉ còn lại hai đặc tính: khối lượng và spin – đúng như Einstein và Kerr đã khẳng định từ hơn nửa thế kỷ trước.
Điểm quan trọng nhất của sự kiện ngày 4/1/2025 là nó không chỉ là một quan sát thiên văn, mà còn là một thí nghiệm tự nhiên trong điều kiện cực hạn. Trong phòng thí nghiệm, con người không thể tái tạo năng lượng và mật độ khủng khiếp của hố đen. Nhưng vũ trụ tự làm điều đó cho chúng ta, và sóng hấp dẫn chính là “tín hiệu vô tuyến” mang thông tin về cuộc thí nghiệm này tới Trái Đất.
Kết quả củng cố niềm tin rằng thuyết tương đối rộng vẫn đúng ngay cả trong vùng trường mạnh – nơi không gian và thời gian bị uốn cong dữ dội nhất. Đồng thời, nó loại bỏ những nghi ngờ rằng có thể tồn tại “vật thể kỳ lạ” khác ngoài hố đen Kerr.
Trước đây, vào năm 2015, sự kiện GW150914 cũng từng cho phép thử nghiệm lý thuyết hố đen. Tuy nhiên, tín hiệu khi đó yếu hơn nhiều, độ chắc chắn chưa cao. Với GW250114, độ tin cậy vượt trội giúp các nhà khoa học tự tin hơn bao giờ hết.
Có thể so sánh rằng: nếu GW150914 giống như nghe một bản nhạc từ radio nhiễu sóng, thì GW250114 là một buổi hòa nhạc trực tiếp, nơi từng nốt nhạc từ vũ trụ được ghi lại rõ ràng.
Sự kiện sóng hấp dẫn ngày 4/1/2025 không phải là kết thúc, mà là khởi đầu cho một kỷ nguyên mới. Khi các đài quan sát thế hệ tiếp theo như Einstein Telescope ở châu Âu hay Cosmic Explorer ở Mỹ đi vào hoạt động, độ nhạy sẽ còn tăng lên hàng chục lần.
Xa hơn nữa, những kiểm chứng này sẽ giúp trả lời các câu hỏi nền tảng: liệu thuyết tương đối rộng có phải là bức tranh cuối cùng về hấp dẫn? Hay có một lý thuyết mới chờ đợi để thay thế, thống nhất được cả cơ học lượng tử và hấp dẫn?
Nguồn: Physical Review Letters