Ở đâu đó cách Trái Đất khoảng 650 triệu năm ánh sáng, một sao neutron và một lỗ đen đã xoáy dần vào nhau trước khi xảy ra va chạm dữ dội.

Không ai nhìn thấy tia chớp ánh sáng nào, cũng không có bức ảnh trực tiếp nào được ghi lại. Điều tiết lộ sự kiện này chính là một gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian, được thiết bị dò hấp dẫn tại bang Louisiana ghi nhận.

Đó chính là bản chất của thiên văn học sóng hấp dẫn — một lĩnh vực liên tục mang đến những bất ngờ vượt ngoài dự đoán.

Sự kiện này, mang tên chính thức GW230529, được phát hiện bởi đài quan sát LIGO tại Louisiana trong thời điểm các máy dò khác trong mạng lưới hoặc ngừng hoạt động, hoặc không đủ độ nhạy để ghi nhận tín hiệu. Vì chỉ có một thiết bị phát hiện, các nhà khoa học không thể xác định chính xác vị trí của vụ va chạm trên bầu trời. Tuy nhiên, họ vẫn có thể tính toán khối lượng của hai thiên thể tham gia va chạm, và chính điều đó đã tạo nên phát hiện gây chấn động.

Khoảng trống khối lượng lẽ ra không nên tồn tại

Từ cuối những năm 1990, các nhà vật lý thiên văn đã nghi ngờ sự tồn tại của một “khoảng trống khối lượng” giữa những sao neutron nặng nhất và các lỗ đen nhẹ nhất. Sao neutron có thể duy trì cấu trúc ổn định của mình ở mức khối lượng khoảng từ hai đến ba lần khối lượng Mặt Trời. Khi vượt quá giới hạn này, lực hấp dẫn sẽ chiến thắng hoàn toàn, khiến thiên thể sụp đổ thành lỗ đen. Trong khi đó, các lỗ đen được quan sát trong Ngân Hà của chúng ta thường có khối lượng từ năm lần khối lượng Mặt Trời trở lên. Điều này tạo ra một vùng bí ẩn ở giữa, nơi gần như không có vật thể nào từng được quan sát.

GW230529 đã thay đổi điều đó. Vật thể nhỏ hơn trong vụ va chạm có khối lượng từ khoảng 2,5 đến 4,5 lần khối lượng Mặt Trời, nằm chính xác trong vùng khoảng trống này. Nó có thể là sao neutron nặng nhất từng được phát hiện, hoặc nhiều khả năng hơn, là lỗ đen nhẹ nhất từng được ghi nhận. Dù thuộc loại nào, phát hiện này cũng chứng minh rằng khoảng trống khối lượng không hề trống rỗng, buộc giới thiên văn học phải xem xét lại những giả thuyết lâu nay về cách các thiên thể cực đoan này hình thành.

Tại sao điều này quan trọng hơn những con số

Việc phát hiện một vật thể trong khoảng trống khối lượng mang ý nghĩa rất lớn đối với hiểu biết của chúng ta về vật lý sao. Khối lượng còn lại sau khi hai thiên thể đặc hợp nhất phụ thuộc trực tiếp vào cấu trúc nội tại của sao neutron — điều mà khoa học hiện nay vẫn chưa hiểu hoàn toàn. Xác định chính xác giới hạn khối lượng tối đa của sao neutron hiện là một trong những chủ đề nóng nhất trong vật lý thiên văn, và những phát hiện như GW230529 đóng vai trò then chốt trong việc giải đáp câu hỏi đó.

Ngoài ra, bản thân quá trình hợp nhất cũng vô cùng quan trọng. Khi một sao neutron va chạm với một lỗ đen không quá lớn, sao neutron có thể bị xé toạc trước khi bị nuốt chửng hoàn toàn. Quá trình này giải phóng năng lượng khổng lồ và tạo ra các nguyên tố nặng. Đây được xem là một trong những cơ chế chủ yếu hình thành vàng, bạch kim và nhiều nguyên tố quý hiếm khác trong vũ trụ. Trong trường hợp GW230529, không có tín hiệu ánh sáng đi kèm nào được quan sát, một phần vì vị trí trên bầu trời không xác định được. Tuy nhiên, việc lỗ đen trong sự kiện này đủ nhỏ để có khả năng xé rách sao neutron thay vì nuốt trọn ngay lập tức cho thấy những vụ hợp nhất kiểu này có thể là những “nhà máy nguyên tố” quan trọng rải rác khắp vũ trụ.

Sóng hấp dẫn: Kính thiên văn kiểu mới của nhân loại

Liên minh LIGO – Virgo – KAGRA hiện quy tụ gần 2.000 nhà khoa học và đã lập danh mục hàng trăm vụ hợp nhất lỗ đen. Điều từng chỉ là một nỗ lực thử nghiệm nhằm phát hiện tín hiệu nay đã trở thành một chương trình quan sát hoàn chỉnh, với mỗi lần nâng cấp thiết bị lại gia tăng độ nhạy và phát hiện được những sự kiện mà thế hệ máy dò trước hoàn toàn bỏ lỡ.

GW230529 chỉ là một dữ liệu đơn lẻ, nhưng giai đoạn quan sát thứ tư còn hứa hẹn nhiều khám phá hơn nữa.

Càng nhiều tín hiệu được ghi nhận, các nhà khoa học càng có thống kê chính xác hơn, hiểu sâu hơn về vật lý sao neutron, đồng thời xây dựng được bức tranh rõ ràng hơn về những gì thực sự tồn tại trong khoảng trống khối lượng bí ẩn suốt nhiều thập kỷ qua.