Nghiên cứu mới nhất cho thấy lỗ đen lớn nhất trong vũ trụ có khả năng không được hình thành do sự sụp đổ trực tiếp của một ngôi sao lớn duy nhất mà được hình thành thông qua một loạt các vụ hợp nhất dữ dội "từng lớp" sâu trong các cụm sao cực kỳ đông đúc. Nghiên cứu này do Đại học Cardiff ở Anh dẫn đầu đã chỉ ra rằng các lỗ đen nặng nhất trong các quan sát thiên văn sóng hấp dẫn thuộc về một nhóm độc lập và lịch sử ra đời của chúng giống như một “cây phả hệ lỗ đen nhiều thế hệ” hơn là sự kết thúc quá trình tiến hóa của các ngôi sao bình thường.


Nhóm nghiên cứu khoa học đã phân tích một cách có hệ thống ấn bản thứ tư của Danh mục chuyển tiếp sóng hấp dẫn (GWTC-4) do nhóm hợp tác LIGO-Virgo-KAGRA phát hành, bao gồm 153 sự kiện sáp nhập lỗ đen có độ tin cậy cao. Các nhà nghiên cứu đặc biệt chú ý đến các lỗ đen có khối lượng lớn nhất trong mẫu để kiểm tra xem chúng có phải là sản phẩm của “thế hệ thứ hai” hay thậm chí là các “thế hệ” cao hơn - tức là các lỗ đen ban đầu đã hợp nhất trong các cụm sao dày đặc để tạo ra các lỗ đen có khối lượng lớn hơn, và các lỗ đen này lại va chạm và hợp nhất trong quá trình tiến hóa tiếp theo, và tiếp tục tăng trọng lượng. Trong loại cụm sao dày đặc này, mật độ không gian của các ngôi sao và vật thể nhỏ gọn có thể cao hơn một triệu lần so với mật độ không gian ở vùng lân cận mặt trời, tạo ra một giai đoạn tự nhiên cho các "sự hợp nhất nối tiếp" của lỗ đen.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí "Thiên văn học thiên nhiên" số mới nhất. Các đặc điểm thống kê được đưa ra trong bài báo cho thấy nhóm lỗ đen nặng nhất được quan sát bằng sóng hấp dẫn cho thấy sự khác biệt rõ ràng về sự phân bố khối lượng và spin so với các lỗ đen được hình thành do sự sụp đổ của các ngôi sao thông thường và nên được coi là một nhóm độc lập được định hình bởi sự hợp nhất có thứ bậc. Nói cách khác, sóng hấp dẫn không chỉ "đếm" các sự kiện va chạm với lỗ đen mà còn bắt đầu tiết lộ cách thức và vị trí các lỗ đen phát triển, đồng thời hạn chế ngược lại lý thuyết tiến hóa của các ngôi sao và cụm sao khổng lồ.

Thông qua mô hình hóa và phân tích chi tiết tín hiệu sóng hấp dẫn, các nhà nghiên cứu đã tách ra hai nhóm lỗ đen chính trong mẫu: một là lỗ đen có khối lượng thấp hơn, có đặc tính về cơ bản phù hợp với mô hình sụp đổ sao truyền thống; cái còn lại là một lỗ đen có khối lượng cao hơn đáng kể, có đặc điểm quay hoàn toàn phù hợp với kỳ vọng về việc trải qua nhiều cấp độ hợp nhất trong các cụm sao dày đặc. Nghiên cứu về vòng quay của các lỗ đen chất lượng cao đặc biệt quan trọng vì kích thước và hướng của vòng quay ghi lại lịch sử hợp nhất của các lỗ đen tiền thân của nó.

Bài báo chỉ ra rằng các vòng quay của các nhóm lỗ đen chất lượng cao không chỉ nhìn chung nhanh hơn mà còn có sự phân bố hướng quay gần như ngẫu nhiên, khác hoàn toàn với trạng thái quay "sắp xếp có trật tự" trong quá trình tiến hóa sao đôi điển hình. Điều này khiến nhóm nghiên cứu ngạc nhiên và nâng cao đáng kể độ tin cậy của “nguồn gốc của các cụm sao dày đặc”. So với các danh mục sóng hấp dẫn nhỏ hơn và sớm hơn trước đó, các hệ thống chất lượng cao trong phân tích này “nhảy ra” rõ ràng hơn trong không gian tham số, củng cố phán đoán rằng chúng thuộc về một nhóm độc lập.

Ngoài việc phác thảo đường đi phát triển của các lỗ đen quái vật, nghiên cứu này còn cung cấp một trong những bằng chứng quan sát mạnh mẽ nhất cho đến nay về một dự đoán lâu dài trong vật lý thiên văn - "khoảng cách khối lượng" của lỗ đen. Giả thuyết cho rằng những ngôi sao cực lớn sẽ trải qua quá trình mất ổn định cặp đôi dữ dội trước khi chết, phát nổ dữ dội và tự hủy diệt hoàn toàn, không để lại tàn tích lỗ đen nào nữa. Điều này có nghĩa là trong một phạm vi khối lượng nhất định, các ngôi sao không nên trực tiếp tạo ra lỗ đen, tạo thành một "vùng cấm".

Nhóm nghiên cứu tìm thấy dấu hiệu của quá trình chuyển đổi này trong mẫu: khoảng 45 lần khối lượng Mặt Trời, sự phân bố của các lỗ đen thay đổi đáng kể. Fabio Antonini, tác giả chính của bài báo, cho biết họ đã nhìn thấy bằng chứng trong dữ liệu về một “khoảng cách khối lượng không ổn định” đã được dự đoán từ lâu – một phạm vi khối lượng trong đó các ngôi sao được cho là không để lại các lỗ đen. Tuy nhiên, các máy dò sóng hấp dẫn đã phát hiện thành công các lỗ đen ở hoặc gần khoảng trống này, tập trung ở khối lượng khoảng 45 lần khối lượng Mặt Trời. Điều này đặt ra một câu hỏi quan trọng: Liệu những lỗ đen này có thách thức các mô hình tiến hóa sao hiện có hay đơn giản là chúng không được hình thành trực tiếp từ một ngôi sao duy nhất mà được "ghép lại với nhau" thông qua một con đường khác - sự hợp nhất theo thứ bậc?

Nghiên cứu cho thấy rằng trong mẫu hiện tại, thông tin do các lỗ đen nặng nhất mang theo chỉ rõ hơn về tác động động của các cụm sao chứ không chỉ sự tiến hóa của các sao đơn lẻ. Khi khối lượng của lỗ đen vượt quá khoảng 45 lần khối lượng Mặt Trời, sự phân bổ spin của nó đột ngột thay đổi đáng kể. Điều này khó có thể giải thích thông qua quá trình tiến hóa của các sao đôi thông thường, nhưng có thể hiểu một cách tự nhiên là “những lỗ đen này đã trải qua nhiều vòng sáp nhập trong các cụm sao dày đặc”. Điều này càng ủng hộ ý kiến ​​cho rằng các lỗ đen quái vật được xếp chồng lên nhau và phát triển từ thế hệ này sang thế hệ khác sâu trong các cụm sao.

Công trình này cũng liên kết thiên văn học sóng hấp dẫn với các quá trình vật lý hạt nhân bên trong các ngôi sao. Đội nghiên cứu đã sử dụng bước ngoặt gần với khoảng cách khối lượng để suy ra phản ứng hạt nhân quan trọng liên quan đến quá trình đốt cháy helium của các ngôi sao lớn, từ đó cung cấp một phương pháp mới để nghiên cứu các quá trình hạt nhân nằm sâu trong lõi các ngôi sao. Các nhà nghiên cứu cho biết, với việc tích lũy các quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai, các nhà khoa học có thể suy luận ngược lại chuỗi phản ứng hạt nhân phức tạp bên trong ngôi sao thông qua hình dạng tinh tế của sự phân bố khối lượng và khoảng cách khối lượng của lỗ đen.

Đồng tác giả bài báo Fani Dosopoulu và những người khác đã chỉ ra rằng cái gọi là giới hạn khối lượng trên được đặt ra cho "sự không ổn định" trực tiếp phụ thuộc vào các phản ứng hạt nhân cụ thể xảy ra trong lõi của các ngôi sao lớn. Do đó, việc tiếp tục tích lũy dữ liệu sóng hấp dẫn sẽ không chỉ viết lại hiểu biết của chúng ta về quần thể lỗ đen mà còn có thể trở thành một “phòng thí nghiệm” thực nghiệm mới để nghiên cứu vật lý hạt nhân. Đối với vũ trụ, mỗi vụ sáp nhập lỗ đen là một sự kiện dữ dội và diễn ra trong thời gian ngắn, nhưng với sự trợ giúp của "thính giác" sóng hấp dẫn, con người đang sử dụng những rung động nhất thời này để tái tạo lại lịch sử lâu dài của những lỗ đen quái vật đang lặng lẽ phát triển ở độ sâu của vũ trụ.