Cấm Không ai từng dự đoán rằng một ngôi sao sụp đổ duy nhất có thể tạo ra một cặp lỗ đen sau đó hợp nhất.
Lỗ đen Các vật thể khổng lồ trong không gian với lực hấp dẫn mạnh đến mức thậm chí ánh sáng không thể thoát ra được chúng có nhiều kích cỡ khác nhau. Ở đầu nhỏ hơn của thang đo là các lỗ đen khối sao được hình thành trong quá trình các ngôi sao chết. Ở đầu lớn hơn là các hố đen siêu lớn, chứa tới một tỷ lần khối lượng mặt trời của chúng ta. Trải qua hàng tỷ năm, các lỗ đen nhỏ có thể từ từ phát triển thành giống siêu lớn bằng cách lấy khối lượng từ môi trường xung quanh và cũng bằng cách hợp nhất với các lỗ đen khác. Nhưng quá trình chậm chạp này có thể giải thích vấn đề của các hố đen siêu lớn tồn tại trong vũ trụ sơ khai, các lỗ đen như vậy sẽ hình thành chưa đầy một tỷ năm sau Vụ nổ lớn.
Bây giờ những phát hiện mới của các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California (Caltech) có thể giúp kiểm tra một mô hình giải quyết vấn đề này.
Video này cho thấy sự sụp đổ của một ngôi sao siêu lớn đang quay khác biệt nhanh chóng với nhiễu loạn mật độ ban đầu m = 2 nhỏ. Ngôi sao không ổn định ở chế độ m = 2 không đối xứng, sụp đổ và tạo thành hai lỗ đen. Các lỗ đen non trẻ sau đó truyền cảm hứng và hợp nhất dưới sự phát xạ của bức xạ hấp dẫn mạnh mẽ. Sự sụp đổ được tăng tốc bằng cách giảm ~ 0,25% chỉ số Gamma đáng tin cậy, được thúc đẩy bởi việc sản xuất cặp electron-positron ở nhiệt độ cao.
Một số mô hình tăng trưởng lỗ đen siêu lớn nhất định thu hút sự hiện diện của các lỗ đen của hạt giống chanh, kết quả từ cái chết của những ngôi sao rất sớm. Những lỗ đen hạt giống này tăng khối lượng và tăng kích thước bằng cách nhặt các vật liệu xung quanh chúng, một quá trình gọi là bồi tụ hoặc bằng cách hợp nhất với các lỗ đen khác. Tuy nhiên, trong các mô hình trước đó, đơn giản là không có đủ thời gian để bất kỳ lỗ đen nào đạt đến quy mô siêu lớn nên ngay sau khi vũ trụ ra đời, anh nói học. Sự tăng trưởng của các lỗ đen đến quy mô siêu lớn trong vũ trụ trẻ dường như chỉ có thể xảy ra nếu khối lượng ’hạt của vật thể sụp đổ đã đủ lớn, anh nói.
Để điều tra nguồn gốc của các hố đen siêu lớn trẻ, Reisswig, hợp tác với Christian Ott, trợ lý giáo sư vật lý thiên văn lý thuyết, và các đồng nghiệp của họ đã chuyển sang một mô hình liên quan đến các ngôi sao siêu lớn. Những ngôi sao khổng lồ, khá kỳ lạ này được đưa ra giả thuyết tồn tại chỉ trong một thời gian ngắn trong vũ trụ sơ khai. Không giống như các ngôi sao bình thường, các ngôi sao siêu lớn được ổn định chống lại trọng lực chủ yếu bằng bức xạ photon của riêng chúng.Trong một ngôi sao rất lớn, bức xạ photon, dòng photon bên ngoài được tạo ra do nhiệt độ bên trong của ngôi sao rất cao, đẩy khí từ ngôi sao ra ngoài để chống lại lực hấp dẫn kéo khí trở lại. Khi hai lực bằng nhau, sự cân bằng này được gọi là cân bằng thủy tĩnh.
Trong suốt cuộc đời của nó, một ngôi sao siêu lớn từ từ nguội đi do mất năng lượng thông qua sự phát xạ của bức xạ photon. Khi ngôi sao nguội đi, nó trở nên nhỏ gọn hơn và mật độ trung tâm của nó tăng chậm. Quá trình này kéo dài trong một vài triệu năm cho đến khi ngôi sao đạt được độ nén đủ để mất ổn định lực hấp dẫn và để ngôi sao bắt đầu sụp đổ trọng lực, Reisswig nói.
Các nghiên cứu trước đây dự đoán rằng khi các ngôi sao siêu lớn sụp đổ, chúng duy trì hình dạng hình cầu có thể bị xẹp do quay nhanh. Hình dạng này được gọi là cấu hình trục đối xứng. Kết hợp với thực tế là các ngôi sao quay rất nhanh dễ bị nhiễu loạn nhỏ, Reisswig và các đồng nghiệp dự đoán rằng những nhiễu loạn này có thể khiến các ngôi sao lệch thành hình dạng không đối xứng trong quá trình sụp đổ. Những nhiễu loạn nhỏ ban đầu như vậy sẽ phát triển nhanh chóng, cuối cùng làm cho khí bên trong ngôi sao sụp đổ bị vón cục và tạo thành các mảnh mật độ cao.
Các giai đoạn khác nhau gặp phải trong sự sụp đổ của một ngôi sao siêu lớn rời rạc. Mỗi bảng hiển thị phân bố mật độ trong mặt phẳng xích đạo. Ngôi sao quay rất nhanh đến nỗi cấu hình khi bắt đầu sụp đổ (bảng trên bên trái) là hình bán nguyệt (mật độ tối đa nằm ngoài tâm do đó tạo ra một vòng có mật độ tối đa). Mô phỏng kết thúc sau khi lỗ đen đã ổn định (bảng dưới bên phải). Tín dụng: Christian Reisswig / Caltech
Những mảnh vỡ này sẽ quay quanh trung tâm của ngôi sao và ngày càng dày đặc hơn khi chúng nhặt được vật chất trong quá trình sụp đổ; chúng cũng sẽ tăng nhiệt độ. Và sau đó, Reisswig nói, một hiệu ứng thú vị bắt đầu. Ở nhiệt độ đủ cao, sẽ có đủ năng lượng để ghép các electron và phản hạt của chúng, hoặc positron, vào cái được gọi là cặp electron-positron. Việc tạo ra các cặp electron-positron sẽ gây ra sự mất áp suất, đẩy nhanh hơn sự sụp đổ; kết quả là, hai mảnh vỡ trên quỹ đạo cuối cùng sẽ trở nên dày đặc đến nỗi một lỗ đen có thể hình thành ở mỗi cụm. Cặp lỗ đen sau đó có thể xoắn quanh nhau trước khi hợp nhất để trở thành một lỗ đen lớn. Đây là một phát hiện mới Không ai từng dự đoán rằng một ngôi sao sụp đổ có thể tạo ra một cặp lỗ đen sau đó hợp nhất.
Reisswig và các đồng nghiệp đã sử dụng siêu máy tính để mô phỏng một ngôi sao siêu lớn đang trên bờ vực sụp đổ. Mô phỏng được hình dung bằng một video được thực hiện bằng cách kết hợp hàng triệu điểm thể hiện dữ liệu số về mật độ, trường hấp dẫn và các tính chất khác của khí tạo nên các ngôi sao sụp đổ.
Mặc dù nghiên cứu liên quan đến mô phỏng máy tính và do đó hoàn toàn là lý thuyết, nhưng trên thực tế, sự hình thành và sáp nhập của các cặp lỗ đen có thể tạo ra những gợn sóng bức xạ hấp dẫn cực mạnh trong không gian và thời gian, di chuyển với tốc độ ánh sáng. có khả năng nhìn thấy được ở rìa vũ trụ của chúng ta, Reisswig nói. Các đài quan sát trên mặt đất như Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế tia laser (LIGO), được kết hợp bởi Caltech, đang tìm kiếm các dấu hiệu của bức xạ hấp dẫn này, được tiên đoán bởi Albert Einstein trong lý thuyết tương đối tổng quát của ông; Reisswig nói, các đài quan sát sóng hấp dẫn từ vũ trụ trong tương lai sẽ cần thiết để phát hiện các loại sóng hấp dẫn sẽ xác nhận những phát hiện gần đây.
Ott nói rằng những phát hiện này sẽ có ý nghĩa quan trọng đối với vũ trụ học. Tín hiệu sóng hấp dẫn phát ra và phát hiện tiềm năng của nó sẽ thông báo cho các nhà nghiên cứu về quá trình hình thành các lỗ đen siêu lớn đầu tiên trong vũ trụ còn rất trẻ, và có thể giải quyết một số câu hỏi và đưa ra những câu hỏi quan trọng mới về lịch sử vũ trụ của chúng ta anh ta nói.
Qua CalTech