Sự ra đời của máy dò sóng hấp dẫn—hiện nay có bốn máy—đã ghi lại một dòng đều đặn các vụ sáp nhập lỗ đen. Theo như chúng tôi có thể nói, gần như tất cả chúng đều hành xử chính xác như chúng ta mong đợi đối với các loại sự kiện mà chúng ta mong đợi chúng tạo ra: một cặp lỗ đen quay tròn xoắn ốc vào trong cho đến khi chúng gặp nhau tại trọng tâm chung của chúng. .

Nhưng có một sự kiện dường như không hoàn toàn khớp với các loại tín hiệu mà chúng ta mong đợi. Và các nhà nghiên cứu hiện đang gợi ý rằng nó là sản phẩm của một thứ gì đó cực kỳ hiếm: hai lỗ đen tìm thấy nhau trong không gian bao la. Sau một lần vượt qua gần, hai cơ thể cuộn tròn và ngay lập tức tách ra trong một vụ va chạm.

Mẫu và tweet

Các vụ va chạm lỗ đen đòi hỏi hai lỗ đen phải đủ gần nhau để xảy ra tương tác hấp dẫn. Bởi vì không gian quá rộng lớn, điều này thường có nghĩa là chúng là sản phẩm của hai ngôi sao khối lượng lớn hình thành như một hệ thống nhị phân. Sau khi các ngôi sao chết đi và các lỗ đen bị bỏ lại phía sau, hai vật thể sẽ từ từ xoắn ốc về phía nhau, bức xạ năng lượng ra xa dưới dạng sóng hấp dẫn khi chúng làm như vậy.

Điều này dẫn đến sự kết hợp và nguồn cảm hứng tương đối đơn giản, các chi tiết được nêu trong hoạt hình vô hạn Sau LIGO phát hiện đầu tiên va chạm lỗ đen.

Các vụ va chạm kiểu này đã được thực hiện tốt đến mức chúng ta có rất nhiều mô phỏng mô phỏng một vụ va chạm như thế này với các tập hợp chi tiết khác nhau: khối lượng lỗ đen khác nhau, các chu kỳ khác nhau, v.v. Những mô phỏng này cung cấp “mẫu” cho những khoảnh khắc cuối cùng trước khi va chạm, khi quá trình tạo ra sóng hấp dẫn trở nên nhanh hơn và dữ dội hơn, với “tiếng kêu” cuối cùng của sóng tăng lên trên tiếng ồn nền trên Trái đất. Các mẫu này cho phép chúng tôi nhanh chóng xác định các chi tiết va chạm, dựa trên mức độ khớp của các tín hiệu va chạm với một trong các mẫu này.

Nhưng sự hợp nhất, được đặt tên là GW190521, không đặc biệt phù hợp với các mẫu và sẽ chỉ phù hợp hơn nếu các lỗ đen được đề cập hoàn toàn không quay. Tiếng kêu ngắn một cách bất thường và không có dấu hiệu nào cho thấy tín hiệu trước khi hợp nhất thực sự. Cuối cùng, cả hai thiên thể tham gia vào vụ hợp nhất đều tương đối nặng: khoảng 50 và 80 lần khối lượng Mặt trời. Các lỗ đen có kích thước này không hình thành trong siêu tân tinh (những siêu tân tinh thường bắt đầu với khối lượng nhỏ hơn 15 lần Mặt Trời), vì vậy đây có thể là sản phẩm của các vụ va chạm trong quá khứ. Điều này khiến chúng bắt đầu như một phần của hệ thống nhị phân có vấn đề.

Vì vậy, một nhóm các nhà nghiên cứu châu Âu đã quyết định mô hình hóa một sự kiện tương đối hiếm gặp: Hai lỗ đen không bắt đầu theo một quỹ đạo chung, mà tình cờ đi qua gần nhau bởi lực hấp dẫn.

Chúng ta khiêu vũ nhé

Thuật ngữ kỹ thuật cho những gì các tác giả đề xuất là “chụp động”, giải thích tính chất đột ngột, dường như giống như bùng nổ của tín hiệu GW190521. Thay vì cách tiếp cận dần dần trong đó sóng hấp dẫn tích tụ đến cường độ đặc trưng cho các hệ nhị phân, hai vật thể gây ra sự kiện này có thể trải qua một số dao động tốc độ cao giới hạn với nhau trước khi va chạm.

Các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa nhiều cách tiếp cận khả thi, một số trong đó có thể dẫn đến cách tiếp cận dần dần tương tự như cách tiếp cận đã thấy trong các hệ thống nhị phân và những cách khác có thể đưa các lỗ đen ra xa nhau trên quỹ đạo thay đổi. Nhưng giữa hai thái cực là một tập hợp các kết quả trong đó bạn có thể có một vài lần vượt qua trước khi va chạm, hoặc hai lỗ đen có thể chìm trực tiếp vào nhau.

Các mô hình tạo ra tiếng kêu phù hợp nhất với tín hiệu GW190521 đã chứng kiến ​​một đường chuyền duy nhất đưa các lỗ đen lại gần hơn, sau đó là một đường cong nhanh duy nhất trong vụ va chạm. Nhưng lần vượt qua đầu tiên đủ xa nên tín hiệu quá thấp để nổi bật trên tạp âm nền trong máy dò. Mặc dù có thể thu được kết quả tương tự như kết quả này bằng cách sử dụng cấu hình va chạm điển hình hơn với cảm hứng từ từ, nhưng một số thử nghiệm thống kê chỉ ra rằng khả năng chụp động có nhiều khả năng hơn.

Ít nhất nó có thể phụ thuộc vào các tính chất của tiếng kêu của sóng hấp dẫn. Khả năng hai lỗ đen đến đủ gần nhau để kích hoạt quá trình này lại là một vấn đề hoàn toàn khác. Nhưng hai lỗ đen này đủ lớn để có thể chúng được hình thành từ các vụ sáp nhập trước đó, điều này cho thấy vụ va chạm này xảy ra trong một cụm dày đặc nơi có nhiều ngôi sao nặng chết đi. Do đó, môi trường có thể thuận lợi cho một cuộc gặp gỡ tình cờ hơn chúng ta mong đợi.

thiên văn học tự nhiên2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01813-w (Giới thiệu về DOI).