Các nhà khoa học đã tìm thấy bằng chứng mạnh mẽ đầu tiên cho thấy một hố đen và một sao neutron va chạm với nhau khi chuyển động theo quỹ đạo hình bầu dục, thay vì quỹ đạo gần tròn hoàn hảo như lâu nay vẫn được giả định. Phát hiện này thách thức các quan niệm hiện tại về cách những hệ vũ trụ cực đoan này hình thành và tiến hóa.

Các nhà nghiên cứu từ University of Birmingham, Universidad Autónoma de Madrid và Max Planck Institute for Gravitational Physics đã công bố kết quả trên The Astrophysical Journal Letters.

Phần lớn các cặp sao neutron – hố đen đã biết được cho là sẽ ổn định thành quỹ đạo tròn trước khi hợp nhất. Tuy nhiên, nghiên cứu chi tiết về sự kiện sóng hấp dẫn GW200105 lại cho thấy một bức tranh khác.

Dữ liệu chỉ ra rằng hai vật thể này chuyển động theo quỹ đạo elip (hình bầu dục) ngay trước khi hợp nhất. Vụ va chạm cuối cùng đã tạo ra một hố đen có khối lượng gấp khoảng 13 lần Mặt Trời. Các nhà nghiên cứu cho biết kiểu quỹ đạo này chưa từng được quan sát trước đây trong các vụ hợp nhất giữa sao neutron và hố đen.

Tiến sĩ Patricia Schmidt từ Đại học Birmingham cho biết: “Phát hiện này mang lại những manh mối quan trọng về cách các vật thể cực đoan này kết hợp với nhau. Nó cho thấy các mô hình lý thuyết của chúng ta còn chưa hoàn chỉnh và đặt ra những câu hỏi mới về nơi các hệ như vậy được hình thành trong vũ trụ.”

Phát hiện tín hiệu tinh vi trong sóng hấp dẫn

Để nghiên cứu sự kiện, nhóm đã phân tích dữ liệu từ các máy dò LIGO và Virgo bằng một mô hình sóng hấp dẫn mới được phát triển tại Viện Thiên văn Sóng Hấp dẫn của Đại học Birmingham.

Phương pháp này cho phép đo mức độ “kéo dài” của quỹ đạo – gọi là độ lệch tâm (eccentricity). Họ cũng tìm kiếm dấu hiệu “lắc lư” do sự quay của các vật thể gây ra, được gọi là tiến động (precession). Theo các nhà nghiên cứu, đây là lần đầu tiên cả hai hiệu ứng này được đo đồng thời trong một vụ hợp nhất sao neutron – hố đen.

Nhà nghiên cứu Geraint Pratten cho biết: “Quỹ đạo đã tiết lộ tất cả. Hình dạng elip của nó ngay trước khi hợp nhất cho thấy hệ này không tiến hóa một cách yên ổn trong cô lập, mà gần như chắc chắn bị ảnh hưởng bởi tương tác hấp dẫn với các ngôi sao khác, hoặc có thể là một vật thể thứ ba.”

Phân tích lại sự kiện với mô hình cải tiến

Nhóm nghiên cứu sử dụng các phương pháp thống kê Bayes để so sánh hàng nghìn dự đoán lý thuyết với dữ liệu sóng hấp dẫn thực tế. Kết quả cho thấy khả năng hệ này có quỹ đạo tròn là cực kỳ thấp, bị loại bỏ với độ tin cậy 99,5%.

Các nghiên cứu trước đây về GW200105 giả định quỹ đạo tròn, dẫn đến việc đánh giá thấp khối lượng của hố đen và đánh giá cao khối lượng của sao neutron. Phân tích mới đã điều chỉnh lại các giá trị này.

Nghiên cứu cũng không tìm thấy bằng chứng rõ ràng về hiện tượng “lắc lư” do spin gây ra, cho thấy quỹ đạo elip có thể đã hình thành từ giai đoạn đầu của hệ, thay vì do chuyển động quay của hai vật thể.

Gonzalo Morras cho biết: “Đây là bằng chứng thuyết phục rằng không phải mọi cặp sao neutron – hố đen đều có cùng nguồn gốc. Quỹ đạo lệch tâm cho thấy chúng có thể hình thành trong môi trường nơi nhiều ngôi sao tương tác hấp dẫn với nhau.”

Cần suy nghĩ lại về cách các hệ này hình thành

Khám phá này thách thức quan điểm phổ biến rằng các vụ hợp nhất sao neutron – hố đen chủ yếu hình thành theo một con đường tiến hóa duy nhất. Thay vào đó, nó cho thấy có thể tồn tại nhiều cơ chế hình thành khác nhau.

Phát hiện cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển các mô hình sóng hấp dẫn tiên tiến hơn để mô tả chính xác hành vi phức tạp của các vật thể đặc khi hợp nhất.

Khi các đài quan sát sóng hấp dẫn phát hiện thêm nhiều sự kiện, các nhà khoa học kỳ vọng sẽ khám phá ra nhiều kịch bản hợp nhất đa dạng hơn. Những phát hiện này có thể giúp làm sáng tỏ các môi trường khác nhau nơi sao neutron và hố đen được sinh ra và tương tác.