Các nhà khoa học vừa đạt bước đột phá khi dự đoán chính xác sóng hấp dẫn từ hố đen, mở ra cánh cửa khám phá những bí ẩn toán học sâu xa của vũ trụ.
Sóng hấp dẫn: Chìa khóa khám phá vũ trụ
Các nhà khoa học vừa công bố một nghiên cứu mang tính bước ngoặt, dự đoán chính xác hơn bao giờ hết những扰 động không-thời gian tạo ra khi hai hố đen lướt qua nhau. Kết quả, được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 14/5, cho thấy các khái niệm toán học trừu tượng từ vật lý lý thuyết có thể áp dụng để mô hình hóa sóng hấp dẫn, mở đường cho những mô hình chính xác hơn trong tương lai.
Sóng hấp dẫn là những gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian, sinh ra khi các thiên thể khổng lồ như hố đen hay sao neutron chuyển động. Được tiên đoán bởi lý thuyết tương đối tổng quát của nhà bác học Albert Einstein vào năm 1915, sóng hấp dẫn chỉ được phát hiện trực tiếp vào năm 2015. Kể từ đó, chúng trở thành công cụ quan trọng giúp các nhà thiên văn học nghiên cứu những sự kiện dữ dội và bí ẩn nhất của vũ trụ.
Cách tiếp cận mới trong nghiên cứu hố đen
Để giải mã tín hiệu sóng hấp dẫn từ các thiết bị siêu nhạy như LIGO (Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa laser) và Virgo, các nhà khoa học cần những mô hình dự đoán cực kỳ chính xác, tương tự như dự báo thời tiết không gian. Trước đây, họ phụ thuộc vào siêu máy tính để mô phỏng các tương tác hố đen, một quá trình hiệu quả nhưng tốn thời gian và tài nguyên.
Giờ đây, nhóm nghiên cứu do ông Mathias Driesse từ Đại học Humboldt, Berlin, dẫn dắt đã chọn một hướng đi khác. Thay vì tập trung vào các vụ sáp nhập hố đen, họ nghiên cứu “sự kiện tán xạ”, khi hai hố đen lướt qua nhau dưới tác động của lực hấp dẫn, rồi tiếp tục di chuyển trên quỹ đạo riêng mà không hợp nhất. Những cuộc gặp gỡ này tạo ra sóng hấp dẫn mạnh mẽ khi hố đen tăng tốc.
Áp dụng lý thuyết lượng tử vào vũ trụ
Để mô hình hóa chính xác các sự kiện này, nhóm nghiên cứu sử dụng lý thuyết trường lượng tử, một nhánh vật lý thường được dùng để mô tả tương tác giữa các hạt cơ bản. Bắt đầu từ những giả định đơn giản, họ dần thêm các tầng phức tạp, tính toán các kết quả quan trọng như mức độ lệch quỹ đạo, năng lượng phát ra dưới dạng sóng hấp dẫn và lực giật của hố đen sau tương tác.
Nghiên cứu đạt đến cấp độ phức tạp thứ năm, được gọi là bậc hậu-Minkowski thứ năm, mức độ chính xác cao nhất từng đạt được trong việc mô phỏng tương tác hố đen. Ông Gustav Mogull, nhà vật lý hạt tại Đại học Queen Mary, London, đồng tác giả nghiên cứu, chia sẻ: “Đây là bước tiến chưa từng có, mang lại giải pháp chính xác nhất cho các phương trình của Einstein từ trước đến nay”.
Bất ngờ từ toán học: Calabi-Yau xuất hiện
Trong quá trình tính toán năng lượng sóng hấp dẫn, các nhà khoa học phát hiện một điều bất ngờ: sự xuất hiện của đa tạp Calabi-Yau, những cấu trúc hình học sáu chiều phức tạp, thường được ví như bề mặt bánh donut trong không gian cao chiều. Trước đây, các cấu trúc này chỉ được coi là khái niệm toán học thuần túy trong lý thuyết dây, một khung lý thuyết nhằm thống nhất cơ học lượng tử và lực hấp dẫn.
Lần đầu tiên, các đa tạp Calabi-Yau xuất hiện trong bối cảnh có thể kiểm chứng qua thực nghiệm, cụ thể là trong phép tính năng lượng sóng hấp dẫn từ hai hố đen lướt qua nhau. Ông Mogull ví phát hiện này như chuyển từ kính lúp sang kính hiển vi, hé lộ những đặc điểm và mô hình chưa từng thấy. “Sự xuất hiện của những cấu trúc này làm sáng tỏ bản chất toán học của tự nhiên”, ông nhấn mạnh.
Phát hiện này hứa hẹn sẽ cải thiện đáng kể các mô hình lý thuyết dự đoán dấu hiệu sóng hấp dẫn. Điều này đặc biệt quan trọng khi các thiết bị thế hệ mới, như Đài quan sát không gian LISA và Kính viễn vọng Einstein ở châu Âu, đi vào hoạt động trong tương lai. “Độ chính xác cao hơn là cần thiết để đáp ứng yêu cầu của những thiết bị này”, ông Mogull khẳng định.
Từ vũ điệu của hố đen, các nhà khoa học không chỉ khám phá những bí ẩn của vũ trụ mà còn chạm đến nền tảng toán học sâu xa định hình thực tại. Những gợn sóng không-thời gian đang kể một câu chuyện lớn hơn, và nhân loại chỉ vừa bắt đầu lắng nghe.