Lỗ đen khối lượng sao là những thiên thể sinh ra từ sự sụp đổ của các ngôi sao có khối lượng từ vài đến thấp gấp hàng trăm lần khối lượng mặt trời của chúng ta. Trường hấp dẫn của chúng mạnh đến mức cả vật chất lẫn bức xạ đều không thể tránh khỏi chúng, khiến cho việc phát hiện chúng trở nên vô cùng khó khăn.
Do đó, khi các gợn sóng nhỏ trong không-thời gian được tạo ra bởi sự hợp nhất của hai lỗ đen được Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO) phát hiện vào năm 2015, nó được ca ngợi là một bước ngoặt.
Theo các nhà vật lý thiên văn, hai hố đen hợp nhất tại nguồn gốc của tín hiệu có khối lượng gấp khoảng 30 lần khối lượng mặt trời và nằm cách xa 1.5 tỷ năm ánh sáng.
Ống dò tia LIGO – ảnh minh họa. Tín dụng hình ảnh: Jeff Keyzer thông qua Flickr, CC BY-SA 2.0
Lý thuyết bắc cầu và quan sát
Cơ chế nào tạo ra những lỗ đen này? Chúng có phải là sản phẩm của sự tiến hóa của hai ngôi sao, tương tự như mặt trời của chúng ta nhưng nặng hơn đáng kể, tiến hóa trong một hệ thống nhị phân? Hay chúng là kết quả của các lỗ đen trong các cụm sao đông dân cư tình cờ gặp nhau? Hoặc một cơ chế kỳ lạ hơn có thể được tham gia? Tất cả những câu hỏi này vẫn đang được tranh luận sôi nổi cho đến ngày nay.
Sự hợp tác POSYDON, một nhóm các nhà khoa học từ các tổ chức bao gồm Tây Bắc, Đại học Geneva (UNIGE) và Đại học Florida (UF), đã đạt được những bước tiến đáng kể trong việc mô phỏng các quần thể sao đôi. Công việc này đang giúp đưa ra câu trả lời chính xác hơn và đối chiếu các dự đoán lý thuyết với dữ liệu quan sát.
Simone Bavera, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại khoa thiên văn học của Khoa Khoa học của UNIGE cho biết: “Vì không thể quan sát trực tiếp sự hình thành của các lỗ đen nhị phân hợp nhất, nên cần phải dựa vào các mô phỏng tái tạo các đặc tính quan sát được của chúng”. tác giả của nghiên cứu.
“Chúng tôi làm điều này bằng cách mô phỏng các hệ thống sao đôi từ khi chúng ra đời cho đến khi hình thành các hệ thống lỗ đen nhị phân.”
Quan niệm của một nghệ sĩ cho thấy hai lỗ đen hợp nhất tương tự như những gì được phát hiện bởi LIGO. Tín dụng: Aurore Simonnet/LIGO-Caltech-MIT-Sonoma State
Đẩy các giới hạn của mô phỏng
Việc giải thích nguồn gốc của các lỗ đen nhị phân hợp nhất, chẳng hạn như lỗ đen được quan sát vào năm 2015, đòi hỏi phải so sánh các dự đoán mô hình lý thuyết với các quan sát thực tế. Kỹ thuật được sử dụng để lập mô hình các hệ thống này được gọi là “tổng hợp dân số nhị phân”.
Anastasios Fragkos, trợ lý giáo sư khoa thiên văn học tại Khoa Khoa học UNIGE cho biết: “Kỹ thuật này mô phỏng sự tiến hóa của hàng chục triệu hệ thống sao đôi nhằm ước tính các đặc tính thống kê của quần thể nguồn sóng hấp dẫn thu được”.
Ông nói: “Tuy nhiên, để đạt được điều này trong một khung thời gian hợp lý, các nhà nghiên cứu cho đến nay vẫn dựa vào các mô hình sử dụng các phương pháp gần đúng để mô phỏng sự tiến hóa của các ngôi sao và các tương tác nhị phân của chúng. “Do đó, sự đơn giản hóa quá mức của vật lý sao đơn và nhị phân dẫn đến những dự đoán kém chính xác hơn.”
POSYDON đã khắc phục được những hạn chế này. Được thiết kế dưới dạng phần mềm nguồn mở, nó tận dụng một thư viện lớn được tính toán trước gồm các mô phỏng sao đơn và sao nhị phân chi tiết để dự đoán sự phát triển của các hệ thống nhị phân bị cô lập.
Mỗi mô phỏng chi tiết này có thể mất tới 100 giờ cho đơn vị xử lý trung tâm (CPU) để chạy trên siêu máy tính, khiến kỹ thuật mô phỏng này không thể áp dụng trực tiếp cho tổng hợp dân số nhị phân.
“Tuy nhiên, bằng cách tính toán trước một thư viện mô phỏng bao gồm toàn bộ không gian tham số của các điều kiện ban đầu, POSYDON có thể sử dụng bộ dữ liệu mở rộng này cùng với các phương pháp học máy để dự đoán sự phát triển hoàn chỉnh của hệ thống nhị phân trong chưa đầy một giây,” Jeffrey Andrews, trợ lý cho biết giáo sư tại khoa vật lý tại UF.
“Tốc độ này có thể so sánh với tốc độ của các mã tổng hợp dân số nhanh thế hệ trước, nhưng với độ chính xác được cải thiện.”
Giới thiệu một mô hình mới
POSYDON, một dự án phát triển mã lớn, là viết tắt của POsự co lại SYkết luận với Dmô phỏng tiến hóa nhị phân etailedONS. Kalogera và Tassos Fragos, cựu tiến sĩ. sinh viên trong nhóm của Kalogera, là đồng điều tra viên chính của dự án, bắt đầu tại Northwestern vào năm 2019 với sự hỗ trợ của Quỹ Gordon và Betty Moore và Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ.
Fragos, hiện đang làm việc tại Đại học Geneva, là đồng tác giả của nghiên cứu. Đại học Florida đã tham gia hợp tác trong năm nay.
Các mô hình trước đây đã đánh giá quá cao một số khía cạnh, chẳng hạn như sự giãn nở của các ngôi sao khối lượng lớn, tác động đến sự mất mát khối lượng của chúng và các tương tác nhị phân. Những yếu tố này là những thành phần chính xác định tính chất của các lỗ đen hợp nhất.
Nhờ các mô phỏng tương tác nhị phân và cấu trúc sao chi tiết hoàn toàn tự nhất quán, POSYDON đạt được những dự đoán chính xác hơn về việc hợp nhất các thuộc tính lỗ đen nhị phân như khối lượng và spin của chúng.
Nhóm nghiên cứu hiện đang phát triển một phiên bản mới của POSYDON, phiên bản này sẽ bao gồm một thư viện lớn hơn gồm các mô phỏng nhị phân và sao chi tiết, có khả năng mô phỏng các nhị phân trong nhiều loại thiên hà hơn.
Nguồn: Đại học Northwestern
