Các nhà thiên văn học phân tích sự kiện sáp nhập không gian có thể xác nhận các mặt trăng trong lỗ đen

Việc phát hiện tín hiệu sóng hấp dẫn đầu tiên, được xác định là S251112cm, đã làm tăng khả năng các vật thể giống mặt trăng có thể quay quanh các lỗ đen và sao neutron trong các vùng dày đặc của vũ trụ. Sự kiện này được tổ chức hợp tác quốc tế LIGO-Virgo-KAGRA ghi lại vào cuối năm 2025, cho thấy sự hợp nhất của một vật thể có khối lượng cực thấp với một vật thể đồng hành nặng hơn nhiều. Phân tích kỹ thuật cho thấy rằng “mặt trăng” này sẽ bao gồm vật chất của sao neutron, kết quả của những vụ va chạm trực diện dữ dội hoặc sự sụp đổ của các ngôi sao mẹ. Nằm cách Trái đất khoảng 300 triệu năm ánh sáng, hiện tượng này mở ra những hướng nghiên cứu mới về sự tiến hóa của các hệ nhị phân trong các cụm sao cầu.

• Các hệ thống ba vật thể trong các cụm sao cầu tạo điều kiện cho những va chạm trực diện hiếm gặp giữa các sao neutron.
• Khối lượng của vật thể nhỏ hơn được phát hiện chủ yếu nằm trong khoảng từ 0,1 đến 0,87 khối lượng mặt trời.
• Những sao neutron ổn định có thể tồn tại với khối lượng tối thiểu lên tới 0,09 lần khối lượng Mặt trời.
• Đối tượng chính của hệ nhị phân có khối lượng ước tính từ 1 đến 3,5 khối lượng mặt trời.

Động lực hình thành trong các cụm cầu

Cấu hình của các cụm sao dày đặc, được gọi là cụm sao hình cầu, đóng một vai trò quan trọng trong nguồn gốc của các hệ thống kỳ lạ được phát hiện gần đây. Ở những khu vực này, khoảng một triệu ngôi sao tương tác với nhau bằng lực hấp dẫn, gây ra sự phân tách nơi những tàn dư khổng lồ, như lỗ đen và sao neutron, di chuyển về phía trung tâm. Chuyển động này có thể so sánh với việc tách các hạt bụi nặng lơ lửng, tập trung các vật thể dày đặc trong một không gian thu hẹp và làm tăng đáng kể cơ hội chạm trán ở cự ly gần.

Ở trung tâm của các cụm này, mật độ dân số của sao neutron rất phong phú, thường biểu hiện dưới dạng ẩn tinh hoặc nguồn tia X. Những tàn dư này có mật độ tương đương với mật độ của hạt nhân nguyên tử, tập trung khối lượng gấp đôi mặt trời trong đường kính chỉ 12 km. Khi những vật thể này đến gần, chúng có thể tạo thành các cặp sao đôi ổn định hoặc hệ thống ba sao không ổn định về mặt động học mà đỉnh điểm là các sự kiện sáp nhập hoặc phóng hàng loạt thảm khốc.

Cơ chế tạo ra mặt trăng neutron

Giả thuyết về sự hình thành mặt trăng bao gồm vật chất neutron giống với quá trình hình thành Mặt trăng của Trái đất hàng tỷ năm trước. Trong thời kỳ đó, một vụ va chạm khổng lồ giữa tiền hành tinh Theia và tiền Trái đất đã đẩy các mảnh vụn tích tụ lại trên quỹ đạo hành tinh của chúng ta. Trong môi trường vật lý thiên văn khắc nghiệt, một vụ va chạm trực diện giữa hai sao neutron có thể tạo ra hiệu ứng tương tự, trong đó phần lớn khối lượng tạo thành lỗ đen trung tâm trong khi một phần nhỏ bị đẩy ra ngoài.

Các mảnh vụn bị đẩy ra này có khả năng kết tụ lại với nhau dưới lực hấp dẫn của chính nó, tạo thành một vệ tinh có khối lượng thấp quay quanh vật thể trung tâm mới. Các mô hình lý thuyết xác nhận rằng cấu hình cân bằng của các sao neutron vẫn ổn định ngay cả khi khối lượng dưới hệ mặt trời giảm đi. Ngoài ra, sự sụp đổ lõi của một ngôi sao tiền thân khổng lồ có thể tạo thành một đĩa mảnh vụn ngưng tụ thành mặt trăng, tạo thành một hệ thống nhị phân không đồng đều.

Chi tiết kỹ thuật sự kiện S251112cm

Tín hiệu sóng hấp dẫn có tên S251112cm được báo cáo với độ tin cậy thống kê cao do tỷ lệ cảnh báo sai thấp. Các ước tính chỉ ra rằng một sự kiện có những đặc điểm này sẽ chỉ xảy ra một cách tự nhiên cứ sau 6,2 năm, điều này củng cố bản chất thực sự của việc phát hiện. Bất chấp độ chính xác của tín hiệu hấp dẫn, việc tìm kiếm các đối tượng điện từ, chẳng hạn như tia sáng hoặc bức xạ, cho đến nay vẫn chưa mang lại kết quả khả quan.

Phân tích khối lượng chirp của nguồn cho thấy, với độ tin cậy 99%, sự hiện diện của một vật thể có khối lượng dưới hệ mặt trời tham gia vào vụ va chạm cuối cùng. Dữ liệu này rất quan trọng, vì nó gợi ý rằng thành phần nhỏ hơn không phải là một ngôi sao neutron có khối lượng đầy đủ thông thường mà là một mảnh nhỏ hơn. Sự tương tác dẫn đến sự phát ra sóng hấp dẫn làm rút ngắn quỹ đạo của mặt trăng cho đến khi nó sáp nhập hoàn toàn với lỗ đen hoặc sao neutron đồng hành.

Khoảng cách và vị trí của nguồn không gian

Nguồn tín hiệu nằm trong vũ trụ địa phương, ở khoảng cách độ sáng xấp xỉ 93 megaparsec, tương đương với 300 triệu năm ánh sáng. Khoảng cách tương đối này cho phép các thiết bị đo giao thoa trên Trái đất ghi lại những gợn sóng trong không thời gian đủ rõ ràng để trích xuất dữ liệu khối lượng. Sự vắng mặt của ánh sáng khả kiến ​​cho thấy hệ thống có thể được đặt trong môi trường dày đặc ngăn chặn bức xạ hoặc sự hợp nhất không tạo ra vụ nổ kilonova có thể phát hiện được.

Các nghiên cứu về thời gian tồn tại của các hệ thống này chỉ ra rằng thời gian tồn tại của mặt trăng lỗ đen phụ thuộc hoàn toàn vào khoảng cách ban đầu và khối lượng liên quan. Do sự phát xạ bức xạ hấp dẫn liên tục, vệ tinh mất đi năng lượng quỹ đạo một cách không thể phục hồi, tiến đến tâm theo đường xoắn ốc hướng xuống. Bản ghi sự kiện S251112cm ghi lại chính xác những khoảnh khắc cuối cùng của quá trình này, trước khi vật thể chính hấp thụ hoàn toàn mặt trăng.

Quá trình va chạm và tiến hóa quỹ đạo

Động lực quỹ đạo chi phối các vệ tinh kỳ lạ này được quy định bởi các định luật tương đối rộng, trong đó khối lượng chuyển động làm tăng tốc kết cấu của không-thời gian. Không giống như Mặt trăng của Trái đất, dần dần di chuyển ra xa do thủy triều, mặt trăng neutron sẽ va chạm với vật chủ do mất năng lượng sóng. Số phận này là không thể tránh khỏi đối với bất kỳ vật thể nhỏ gọn nào trên quỹ đạo gần lỗ đen, dẫn đến tín hiệu đặc trưng được thu bởi các cảm biến trên Trái đất.

Việc quan sát những khối lượng thấp như vậy thách thức một số giả định về sự phân bố của các vật thể đặc trong vũ trụ và xác nhận các lý thuyết về va chạm trực diện. Trước phát hiện này, hầu hết các sự kiện được ghi lại đều liên quan đến các vật thể có khối lượng tương tự nhau, chẳng hạn như hai lỗ đen hoặc hai ngôi sao neutron khổng lồ. Sự tồn tại của một vệ tinh dưới hệ mặt trời xác nhận rằng sự phân mảnh của vật chất đậm đặc là một hiện tượng có thể xảy ra và có thể quan sát được thông qua thiên văn học sóng hấp dẫn mới.

Đặc điểm vật lý của mảnh vụn sao

• Vật chất neutron duy trì mật độ cực cao ngay cả ở thể tích giảm và khối lượng thấp.
• Kích thước đặc trưng của những vật thể dưới hệ mặt trời này có thể nhỏ hơn 12 km của một ngôi sao tiêu chuẩn.
• Sự ổn định về cấu trúc được duy trì nhờ áp suất thoái hóa neutron chống lại sự sụp đổ hấp dẫn.
• Các mảnh vỡ do va chạm có thể quay quanh khối tâm hàng triệu năm trước khi hợp nhất.

Tương lai của các quan sát khối lượng dưới hệ mặt trời

Việc xác định các ứng cử viên như S251112cm thúc đẩy cộng đồng khoa học cải tiến thuật toán tìm kiếm các tín hiệu có biên độ thấp. Người ta hy vọng rằng những nâng cấp trong tương lai đối với các đài quan sát LIGO và Xử Nữ sẽ giúp phát hiện các sự kiện ở xa hơn hoặc các sự kiện có khối lượng nhỏ hơn. Hiểu được các hệ thống này giúp tái tạo lại lịch sử va chạm trong các cụm sao cầu và tính chất vật lý của vật chất siêu đậm đặc trong điều kiện trọng lực cực cao.

Mỗi phát hiện mới về một vật thể dưới hệ mặt trời đều cung cấp dữ liệu về phương trình trạng thái của vật chất hạt nhân, tiết lộ cách nó hoạt động dưới áp suất cực lớn. Khả năng các mặt trăng lỗ đen tồn tại rất nhiều trong vũ trụ làm thay đổi quan điểm cổ điển về hệ đôi của các vật thể nhỏ gọn. Khoa học hiện đang tìm cách lập danh mục các sự kiện tương tự hơn để xác định xem liệu sự hình thành của các mặt trăng neutron có phải là sản phẩm phụ phổ biến của các cuộc chạm trán dữ dội giữa các vì sao hay không.