LIGO quan sát vụ hợp nhất hố đen có khối lượng lớn nhất từng được ghi nhận

• Liên danh LIGO-Virgo-KAGRA đã phát hiện vụ hợp nhất hố đen có khối lượng lớn nhất từng được quan sát bằng sóng hấp dẫn
• Vụ hợp nhất này đã tạo ra một hố đen tương đương khoảng 225 lần khối lượng Mặt Trời
• Đây là một trường hợp có khối lượng lớn không thể giải thích bằng các lý thuyết tiến hóa sao tiêu chuẩn hiện có, qua đó thử thách giới hạn của lý thuyết và quan sát
• Các nhà khoa học liên quan cho rằng chuyển động quay cực nhanh và việc phân tích tín hiệu phức tạp sẽ thúc đẩy nghiên cứu hố đen và phát triển thuật toán
• Quan sát lần này là một bước ngoặt mới cho phân tích dữ liệu, công nghệ thiết bị và phát triển lý thuyết trong thiên văn học sóng hấp dẫn

---

LIGO, Virgo, KAGRA phát hiện vụ hợp nhất hố đen có khối lượng lớn nhất từng được ghi nhận

Liên danh LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), sử dụng đài quan sát LIGO do Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) hỗ trợ, đã phát hiện hiện tượng hợp nhất hố đen có khối lượng lớn nhất từng được quan sát bằng sóng hấp dẫn. Hố đen cuối cùng hình thành trong vụ hợp nhất này được xác định có khối lượng khoảng 225 lần khối lượng Mặt Trời. Tín hiệu sóng hấp dẫn này được đặt tên là GW231123 và được phát hiện vào ngày 23 tháng 11 năm 2023 trong giai đoạn quan sát thứ tư của mạng lưới LVK.

Lịch sử và quá trình phát triển của LIGO

LIGO đã thu hút sự chú ý lớn khi thành công trong quan sát trực tiếp sóng hấp dẫn lần đầu tiên vào năm 2015, và khi đó cũng đã phát hiện một hố đen có khối lượng gấp 62 lần Mặt Trời sau va chạm hố đen. Cặp máy dò song sinh LIGO đặt tại Livingston, Louisiana và Hanford, Washington đã cùng ghi nhận tín hiệu này. Sau đó, LIGO hợp tác với Virgo của Ý và KAGRA của Nhật Bản để hình thành liên danh LVK. Trong bốn chu kỳ quan sát kể từ năm 2015, hơn 300 vụ hợp nhất hố đen đã được ghi nhận.

Sự kiện hợp nhất kỷ lục gần đây

Trước đây, vụ hợp nhất hố đen có khối lượng lớn nhất là sự kiện GW190521 năm 2021, với tổng khối lượng gấp 140 lần Mặt Trời. Trong sự kiện GW231123 lần này, hai hố đen có khối lượng tương ứng khoảng 100 và 140 lần khối lượng Mặt Trời đã hợp nhất để tạo thành một hố đen có khối lượng 225 lần. Các hố đen này được cho là đang quay với tốc độ rất cao.

Mark Hannam của liên danh LVK cho biết: "Hệ nhị phân hố đen được quan sát lần này rất khó giải thích bằng các lý thuyết tiến hóa sao hiện có, và có thể hàm ý rằng nguyên nhân là các vụ hợp nhất chồng tầng của những hố đen nhỏ hơn." Dave Reitze của LIGO nhận định: "Quan sát sóng hấp dẫn đã mang lại bước tiến lớn trong việc làm sáng tỏ bản chất của hố đen và những đặc tính kỳ lạ của vũ trụ."

Phá kỷ lục và thách thức khoa học

Khối lượng lớn và tốc độ quay cực hạn được thể hiện trong GW231123 đang thử thách giới hạn của công nghệ phát hiện sóng hấp dẫn và các mô hình lý thuyết hiện nay. Do tốc độ quay nhanh tiệm cận giới hạn mà thuyết tương đối rộng của Einstein cho phép, việc diễn giải và mô hình hóa tín hiệu trở nên vô cùng khó khăn. Charlie Hoy của Đại học Portsmouth đánh giá: "Trường hợp này mang lại cơ hội lớn để thúc đẩy các công cụ lý thuyết và phát triển thuật toán."

Nhóm nghiên cứu dự đoán sẽ mất nhiều năm để giải mã hoàn toàn mẫu hình và ý nghĩa của tín hiệu này. Gregorio Carullo của Đại học Birmingham phân tích: "Bản thân vụ hợp nhất là lời giải thích có khả năng cao nhất, nhưng do những hiện tượng phức tạp không thể giải thích bằng lý thuyết hiện có, nó cũng hàm chứa khả năng mở ra đầu mối cho các cách diễn giải mới."

Mở rộng giới hạn của thiên văn học sóng hấp dẫn

Các máy dò sóng hấp dẫn như LIGO, Virgo và KAGRA đo các biến dạng cực nhỏ của không-thời gian do những hiện tượng vật lý siêu lớn trong vũ trụ gây ra. Chu kỳ quan sát thứ tư này bắt đầu từ tháng 5 năm 2023, và dữ liệu bổ sung dự kiến sẽ được công bố vào mùa hè năm 2024. Sophie Bini của Caltech giải thích: "Sự kiện lần này là một ví dụ thực tế về việc vượt qua các giới hạn hiện tại của phân tích dữ liệu và công nghệ thiết bị, đồng thời cho thấy nhiều khả năng cho nghiên cứu thiên văn học sóng hấp dẫn trong tương lai."

Kết quả về GW231123 dự kiến sẽ được công bố tại hội nghị GR24/Amaldi tổ chức ở Glasgow, Scotland từ ngày 14 đến 18 tháng 7 năm 2025. Dữ liệu hiệu chuẩn được sử dụng cho GW231123 sẽ được công khai thông qua Gravitational Wave Open Science Center (GWOSC), để các nhà khoa học trong và ngoài nước có thể sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.

Giới thiệu về liên danh LIGO-Virgo-KAGRA

• LIGO do Caltech và MIT vận hành với sự hỗ trợ của NSF Mỹ, đồng thời nhận được hỗ trợ lớn từ Đức (Max Planck Society), Anh (Science and Technology Facilities Council) và Úc (Australian Research Council). Có hơn 1.600 nhà khoa học trên toàn thế giới tham gia
• Virgo Collaboration gồm khoảng 880 người thuộc 152 tổ chức tại 17 quốc gia châu Âu. Máy dò Virgo nằm gần Pisa, Ý, được EGO (Đài quan sát Sóng hấp dẫn châu Âu), CNRS (Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp), INFN (Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia Ý) và Nikhef (Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia Hà Lan) cùng hỗ trợ
• KAGRA là giao thoa kế laser có chiều dài nhánh 3 km đặt tại Kamioka, Gifu, Nhật Bản, do ICRR của Đại học Tokyo, Đài quan sát Thiên văn Quốc gia Nhật Bản (NAOJ) và Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng cao (KEK) đồng chủ trì. Có hơn 400 người từ 128 tổ chức ở 17 quốc gia/khu vực tham gia

Có thể tìm thêm thông tin hoặc tài liệu nghiên cứu trên các trang web chính thức của từng tổ chức

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Một lỗ đen có khối lượng khoảng 225 lần Mặt Trời nghĩa là nó được tạo thành từ sự hợp nhất của các lỗ đen khoảng 100 và 140 lần khối lượng Mặt Trời, vậy nên tôi tự hỏi liệu có phải 15 khối lượng Mặt Trời đã được chuyển thành năng lượng hay không, vì đó là một lượng năng lượng khổng lồ
  • Có thể xem bom hạt nhân Tsar Bomba đã chuyển khoảng 2,3kg vật chất thành năng lượng; một khối lượng Mặt Trời vào khoảng 2 x 10^30 kg, nên sự kiện này tương đương với việc giải phóng năng lượng của 10^31 quả Tsar Bomba; con số này khó hình dung một cách trực quan nên tôi thử nghĩ lại: Mặt Trời chỉ phát ra khoảng 0,034% khối lượng của nó dưới dạng năng lượng trong suốt vòng đời, tức năng lượng bằng một khối lượng Mặt Trời tương đương toàn bộ vòng đời của 3.000 Mặt Trời; năng lượng phát ra trong sự kiện này tương đương toàn bộ năng lượng trọn đời của khoảng 45.000 Mặt Trời; tôi nghĩ phần lớn trong số đó đã được phát ra trong vài giây cuối cùng của vụ hợp nhất, tham khảo: tài liệu tính quy đổi năng lượng, tài liệu về hao hụt khối lượng của Mặt Trời
  • Nghĩa là nó đã được chuyển thành năng lượng và thoát ra khỏi lỗ đen, nhưng tôi không thực sự hiểu điều đó xảy ra như thế nào với một lỗ đen mà ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra; nếu là dưới dạng sóng hấp dẫn thì đi đến kết luận hiển nhiên rằng phần lớn năng lượng thoát ra theo cách này; không cần phải chờ bức xạ Hawking
  • Tôi tự hỏi khối lượng đó được chuyển thành dạng năng lượng nào
  • Con người có thể hình dung ra, nhưng vào khoảnh khắc đó nó còn lớn hơn năng lượng mà toàn bộ các ngôi sao trong vũ trụ quan sát được phát ra
  • Đúng vậy, nhưng lực hấp dẫn quá yếu nên năng lượng khổng lồ này chỉ thể hiện thành mức co giãn tương đối cỡ bề dày một sợi tóc trên khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng (dưới 10^-20)
• Hiện tượng này thật sự rất thú vị, Charlie Hoy của University of Portsmouth giải thích rằng "các lỗ đen đang quay cực nhanh và gần chạm tới giới hạn mà thuyết tương đối rộng cho phép"; vì thế việc mô hình hóa và diễn giải tín hiệu trở nên khó khăn; trường hợp này là một case study tuyệt vời để thúc đẩy phát triển các công cụ lý thuyết
  • Cảm giác như tự nhiên đang ném cho chúng ta một bài stress test cho thuyết tương đối rộng
  • Tôi tự hỏi liệu chỉ riêng việc một thiên thể hình cầu quay có tạo ra sóng hấp dẫn hay không
• Trong đề xuất ngân sách NSF một tháng trước, đã có khả năng đóng cửa một trong hai đài quan sát LIGO ở Mỹ, điều này sẽ làm suy giảm nghiêm trọng khả năng tam giác hóa vị trí của các sự kiện như vụ hợp nhất lỗ đen này; việc đóng cửa cũng sẽ giáng đòn nặng vào giới hạn nhiễu và tỷ lệ phát hiện; có ai biết liệu kế hoạch đóng cửa đó có đang thành hiện thực không, liên kết tham khảo
  • Đề xuất ngân sách sẽ được xem xét vào ngày mai (15 tháng 7, 12:00); ngân sách NSF hiện khoảng 7 tỷ USD, bị cắt 23% so với FY2025; tôi không rõ chính xác điều đó ảnh hưởng đến LIGO ra sao, liên kết chi tiết ngân sách
  • Tuần trước tôi tham dự sự kiện virgo ego ở Pisa (về cơ bản là anh em họ của LIGO), nhân kỷ niệm 10 năm phát hiện sóng hấp dẫn; một diễn viên đã đọc cuốn sách do giám đốc chương trình phía Ý viết, và tiếng sóng được chơi bằng saxophone; tôi không thể diễn tả sự xúc động đó bằng lời; cũng có thời gian phỏng vấn giám đốc trung tâm virgo và một nhà truyền thông khoa học, và vị giám đốc tỏ ra khá tức giận về khả năng cắt ngân sách LIGO; cũng dễ hiểu thôi
  • Cần tiếp tục theo dõi xem ngân sách cuối cùng FY 2026 có giữ lại cả hai cơ sở LIGO hay không; cho đến lúc đó đây vẫn là một rủi ro thực sự, nhưng chưa phải tình huống hoàn toàn không thể cứu vãn
  • Hiện trên thế giới đã có một số máy dò sóng hấp dẫn đang hoạt động, vậy tại sao việc đóng một cơ sở LIGO lại gây chết người đối với khả năng tam giác hóa?
  • Có lẽ đó cũng là lý do vì sao phát hiện này từ năm 2023 đến giờ mới được công bố thành bài báo
• Tôi thật sự cần một tin tốt, nên muốn hỏi liệu kiểu khám phá này có thể khơi gợi trí tưởng tượng về một con đường nào đó mà sau này có thể được ứng dụng thực tế để giúp cuộc sống con người tốt hơn hay không (dù rất gián tiếp cũng được); đây không phải tranh luận về "tính hữu dụng của nghiên cứu cơ bản", tôi đồng ý rằng bản thân nó đã có giá trị, chỉ là tôi khó hình dung về ích lợi lâu dài của nó
  • Tôi không phải chuyên gia nhưng rất hứng thú với chủ đề này, và chắc chắn có những mặt tích cực trong các tiến bộ như vậy; một trong số đó là sóng hấp dẫn có thể trở thành tín hiệu cho chúng ta biết về các sự kiện ở giai đoạn đầu của vũ trụ; ví dụ, bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) là tín hiệu của các photon sơ khai được phát ra ngay sau Vụ Nổ Lớn/lạm phát, nhưng vũ trụ đã mờ đục với photon trong 300.000 năm đầu tiên, dù vậy chúng ta vẫn dùng dữ liệu đó để kiểm chứng hoặc bác bỏ các lý thuyết vũ trụ học; còn sóng hấp dẫn thì không giống photon, chúng không bị bất cứ thứ gì ngăn lại và có thể mang tín hiệu từ thời điểm vũ trụ được tạo ra, nên có thể cho thông tin rõ ràng hơn; điều này có thể mở ra những insight mới về vật lý nền tảng như cơ học lượng tử, thuyết tương đối, v.v.; tôi nghĩ điều đó sẽ dẫn tới thiên văn học đa sứ giả, nơi quan sát sự kiện qua ba kênh photon, neutrino và sóng hấp dẫn để có được hiểu biết sâu hơn; xét đến việc nhiều tiến bộ trong vật lý cơ bản về lâu dài đã cải thiện cuộc sống trên Trái Đất, tôi nghĩ ta có thể giữ một góc nhìn lạc quan; hy vọng thế giới sẽ tốt hơn đôi chút
  • Với câu hỏi “nghiên cứu này về lâu dài có thể hữu dụng thế nào?”, thành thật là tôi không biết; chỉ là lỗ đen về mặt khoa học là nơi gần nhất với giới hạn hiểu biết của chúng ta; chúng ta hoàn toàn không biết điều gì xảy ra bên kia chân trời sự kiện (và về mặt thực nghiệm có thể sẽ chẳng bao giờ biết được); khi hiểu thêm, đôi khi sẽ xuất hiện đột phá giúp công nghệ nhảy vọt; đây là lĩnh vực có tiềm năng rất lớn; trong đa số trường hợp, tiến bộ kiểu này khá “nhàm chán” với những ai không làm trong ngành liên quan trực tiếp
  • Tính hữu dụng thực tế của kiểu nghiên cứu này không nằm ở “kết quả tự thân”, mà nằm ở phương pháp để đạt được kết quả đó; LIGO đòi hỏi laser cực kỳ chính xác, nền tảng ổn định, đo vị trí ở mức cực hạn, phần mềm đồ sộ, v.v.; chính những “nhu cầu” đó mới kéo theo tiến bộ và đổi mới thực sự; ví dụ, cảm biến CMOS (máy ảnh số) được tạo ra như một hiệu ứng phụ của thiên văn học; khi dùng camera điện thoại, bạn không nghĩ “thứ này ra đời từ nghiên cứu đo khoảng cách đến các ngôi sao”, nhưng đại loại là như vậy
  • Trong lịch sử, các nền văn minh giàu có xây những công trình đồ sộ để thể hiện sự vĩ đại của mình; theo cách đó, giờ đây chúng ta cũng đang tạo nên một tác phẩm nghệ thuật lớn bằng cách đầu tư năng suất của xã hội vào nghiên cứu cơ bản; việc phát hiện các vụ hợp nhất lỗ đen là một tượng đài trí tuệ nhằm khám phá bản chất của vũ trụ dù không mang lại lợi ích thực dụng; hy vọng rằng cũng như người Ai Cập cổ đại vẫn được nhớ tới đến nay, những thành tựu của chúng ta cũng sẽ còn được ghi nhớ lâu dài
• Tôi từng nghĩ chân trời sự kiện của lỗ đen luôn có dạng cầu, nhưng trực giác vật lý của tôi lại mách rằng khi hai lỗ đen hợp nhất, ngay sau hợp nhất thì lỗ đen mới ít nhất ban đầu có thể sẽ có dạng “hạt đậu phộng”, và tùy theo phân bố khối lượng bên trong mà hình dạng bất thường đó có thể còn duy trì tiếp
  • Chân trời sự kiện có dạng cầu là trong trường hợp lỗ đen Schwarzschild (không quay); lỗ đen quay được gọi là lỗ đen Kerr và có nhiều hiện tượng kỳ lạ; bên ngoài có một ranh giới ngoài kỳ lạ gọi là ergosphere, nơi không-thời gian bị kéo đi nên không thể đứng yên và thậm chí có thể dùng lỗ đen để gia tốc vật thể; bên trong còn có một ranh giới kỳ quái hơn gọi là Cauchy horizon, nơi về mặt lý thuyết có thể du hành thời gian; điểm kỳ dị có dạng vòng; tôi nghĩ trong quá trình hợp nhất thì mọi thứ còn kỳ lạ hơn nhiều, wiki về Kerr metric, bài nghiên cứu về lỗ đen Kerr, wiki về Ergosphere, wiki về Cauchy horizon, tôi đã cập nhật trong khi tìm hiểu; chủ đề này phức tạp nên tôi không dám chắc là hoàn toàn đúng, nhưng đây là lời giải thích tốt nhất tôi có thể đưa ra
  • Tôi nghĩ nói về hình dạng của chân trời sự kiện là điều khó, vì định nghĩa thông thường của hình cầu là “tập hợp các điểm cách đều một điểm”, nhưng trong đa tạp khả vi thì điều này đã phức tạp, và với điểm kỳ dị thì khoảng cách có thể trở nên vô hạn hoặc về mặt hình học có thể không có điểm chuẩn duy nhất; vì vậy người ta thường đổi sang định nghĩa là “một mặt có độ cong vô hướng không đổi và có cùng topology với hình cầu”, đó là điểm phân biệt nó với mặt phẳng hay mặt hyperbol; trực giác của tôi là trong trường hợp lỗ đen Kerr hay lỗ đen đang hợp nhất, nó sẽ có dạng giống viên kẹo bạc hà hoặc hạt đậu phộng (có lẽ còn tồn tại cả điểm yên ngựa), xét theo tọa độ thì chắc chắn là vậy, nhưng tùy cách chọn hệ tọa độ thì ngay cả lỗ đen Schwarzschild cũng có thể trông như hạt đậu phộng trên tọa độ, nên tôi nghĩ tọa độ không có nhiều ý nghĩa
  • Có một hoạt ảnh mô phỏng vụ hợp nhất do MIT/CalTech thực hiện, video hoạt ảnh
  • Từ góc nhìn của chúng ta, chân trời sự kiện thực ra chưa ở trạng thái hoàn tất; một ngôi sao đang sụp đổ cần một thời gian vô hạn theo quan sát của người ngoài để đạt tới trạng thái lỗ đen; trong hầu hết tình huống, ngôi sao sụp đổ trông giống như lỗ đen, nhưng trong quá trình hợp nhất lỗ đen thì chân trời sự kiện chưa hình thành hoàn toàn nên năng lượng vẫn có thể được phát ra; trong trường hợp này sẽ có khác biệt quan trọng
• Tôi tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu một lỗ đen lao xuyên qua một lỗ đen khác ở tốc độ siêu tương đối tính
  • Không-thời gian quanh lỗ đen bị bẻ cong đến cực hạn; ta dễ hình dung đơn giản là “chúng va vào nhau ở tốc độ gần ánh sáng”, nhưng với lỗ đen thì không-thời gian chồng chéo lên nhau, đến mức một phía có thể trông như đang dừng hẳn khi tiến lại gần phía kia; tùy vị trí và vận tốc của người quan sát mà những gì được thấy có thể hoàn toàn khác nhau; ngay cả những điều cơ bản cũng khó đạt đồng thuận; ví dụ, khi thứ gì đó rơi vào lỗ đen (kể cả một lỗ đen khác), từ bên ngoài ta sẽ thấy tốc độ của nó tiến về 0 và mờ dần đỏ đi, chứ không bao giờ thấy đúng khoảnh khắc nó rơi vào; thật sự rất khó và trái với trực giác
  • Cuối cùng hai lỗ đen sẽ hợp lại thành một lỗ đen mang tổng động lượng của chúng; vì không gì có thể thoát ra khỏi chân trời sự kiện, lỗ đen về cơ bản có tính chất dính hoàn toàn
  • Bên trong chân trời sự kiện, vận tốc thoát lớn hơn tốc độ ánh sáng, nên các lỗ đen không thể tiếp cận nhau nhanh hơn mức đó; nếu quỹ đạo trùng khớp hoàn toàn thì chúng không thể thoát khỏi hấp dẫn của nhau; thay vì xuyên qua nhau, hai lỗ đen giống như hai nam châm siêu mạnh va chạm với nhau hơn
  • Thật tiếc là chúng ta không thể lắp một máy gia tốc hạt vũ trụ để thử nghiệm chuyện này
• Thật kinh ngạc khi LIGO, Virgo và KAGRA thực sự có thể phát hiện và diễn giải được những tín hiệu cực hạn như thế này
• Tôi tò mò về triển vọng ngân sách của LIGO, không rõ sau khi BBB được thông qua tuần trước thì ngân sách có bị cắt không
• Tôi muốn biết điều gì xảy ra khi các lỗ đen va chạm: một lỗ đen có “nuốt chửng” lỗ đen kia không, hay nó trở thành một lỗ đen lớn hơn, mật độ cao hơn hay chỉ đơn giản là to hơn
  • Chúng hợp nhất thành một lỗ đen lớn hơn, phần lớn khối lượng được bảo toàn và một phần được phát ra dưới dạng sóng hấp dẫn; vì khối lượng tỉ lệ với bán kính nên sau hợp nhất mật độ thực ra thấp hơn; ví dụ, nếu xếp nhiều lỗ đen thành một hàng rồi cho hợp nhất, thì chính vùng không gian hình cầu bao trùm toàn bộ chúng sẽ trở thành một lỗ đen; một lỗ đen có toàn bộ khối lượng của vũ trụ sẽ có thể tích lớn bằng cả vũ trụ
  • Chúng kết hợp thành một lỗ đen có khối lượng lớn hơn; thể tích, bao gồm cả chân trời sự kiện, chỉ được quyết định bởi khối lượng nên bất kể được tạo ra thế nào, cùng một khối lượng thì cùng một mật độ; còn về chuyện “nuốt chửng”, nếu bạn xé một tấm vải và thấy hai cái lỗ gặp nhau rồi nhập thành một, thì khá khó nói liệu có phải cái lỗ lớn đã nuốt cái lỗ nhỏ hay không
  • Không thể biết điều gì xảy ra bên trong; lỗ đen chỉ được xác định bởi ba đại lượng là khối lượng, spin (mô men động lượng góc) và điện tích; sau hợp nhất, ta kỳ vọng các đại lượng này sẽ cộng lại; nếu quay nhanh thì spin sau hợp nhất có thể gần mức tối đa, và sóng hấp dẫn có thể mang đi phần năng lượng của spin dư thừa
  • Theo cách tôi hiểu, hai lỗ đen quay quanh nhau và tiến lại gần nhau mãi mãi; từ góc nhìn của chúng ta, ta không bao giờ thật sự thấy thứ gì rơi vào trong lỗ đen; do giãn nở thời gian nên ta không thể thấy bất cứ thứ gì thực sự vượt qua chân trời; giải thích chi tiết ở đây Q&A về giãn nở thời gian
  • Về nguyên lý, hai lỗ đen sẽ cộng khối lượng lại và trở thành một lỗ đen lớn hơn; khối lượng tăng đó tạo ra hấp dẫn mạnh hơn và làm chân trời sự kiện mở rộng ra bên ngoài
• Không có waveform (chirp) thì coi như chưa xảy ra, chỉ là một câu đùa thôi