Cách tính diện tích hố đen trong vũ trụ từ 50 năm trước được xác nhận là đúng

Một trong những định lý nổi tiếng nhất của Stephen Hawking đã được chứng minh là đúng, sử dụng các gợn sóng trong không-thời gian gây ra bởi sự hợp nhất của hai hố đen ở xa. Các khu vực của hố đen gắn liền với số lượng rối loạn trong vũ trụ.

Hố đen vũ trụ là một vùng không-thời gian nơi trường hấp dẫn mạnh đến mức không có gì, không hạt vật chất hay cả bức xạ điện từ như ánh sáng, có thể thoát khỏi nó. Thuyết tương đối tổng quát tiên đoán một lượng vật chất với khối lượng đủ lớn nằm trong phạm vi đủ nhỏ sẽ làm biến dạng không- thời gian để trở thành hố đen.

Định lý diện tích hố đen, mà Hawking đưa ra vào năm 1971 từ thuyết tương đối rộng của Einstein  tuyên bố rằng diện tích bề mặt của hố đen không thể giảm theo thời gian. Quy tắc này khiến các nhà vật lý quan tâm vì nó có liên quan mật thiết đến một quy tắc khác dường như ấn định thời gian chạy theo một hướng cụ thể: định luật thứ hai của nhiệt động lực học, nói rằng entropy, hay sự rối loạn, của một hệ kín phải luôn tăng. Vì entropy của hố đen tỷ lệ với diện tích bề mặt của nó, nên cả hai luôn phải tăng.

Các đặc tính của hố đen là manh mối quan trọng cho các quy luật ẩn chi phối vũ trụ.

Theo nghiên cứu mới, xác nhận của các nhà nghiên cứu về quy luật diện tích dường như ngụ ý rằng các đặc tính của hố đen là manh mối quan trọng cho các quy luật ẩn chi phối vũ trụ. Thật kỳ lạ, định luật diện tích dường như mâu thuẫn với một định lý khác đã được chứng minh của nhà vật lý nổi tiếng rằng, các hố đen sẽ bay hơi theo quy mô thời gian cực kỳ dài, vì vậy việc tìm ra nguồn gốc của sự mâu thuẫn giữa hai lý thuyết có thể tiết lộ vật lý mới.

"Không thể giảm diện tích bề mặt của hố đen, điều này giống như định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Nó cũng có bảo toàn khối lượng, vì bạn không thể giảm khối lượng của nó, vì vậy điều đó tương tự như bảo toàn năng lượng", tác giả chính Maximiliano Isi, một nhà vật lý thiên văn tại Viện Công nghệ Massachusetts, cho biết.

Ông chia sẻ thêm: "Ban đầu, mọi người nói về một sự song song tuyệt vời, nhưng chúng tôi nhanh chóng nhận ra rằng điều này là cơ bản. Các hố đen có một entropy, và nó tỷ lệ với diện tích của chúng. Đó không chỉ là một sự trùng hợp vui mà đó là một sự thật sâu sắc về thế giới mà chúng tiết lộ". 

Diện tích bề mặt của hố đen được thiết lập bởi một ranh giới hình cầu được gọi là chân trời sự kiện - ngoài điểm này, không có gì, thậm chí cả ánh sáng, có thể thoát khỏi lực hấp dẫn mạnh mẽ của nó.

Theo cách giải thích của Hawking về thuyết tương đối tổng quát, khi diện tích bề mặt của hố đen tăng lên cùng với khối lượng của nó, và bởi vì không có vật thể ném vào bên trong có thể thoát ra ngoài, nên diện tích bề mặt của nó không thể giảm. Nhưng diện tích bề mặt của hố đen cũng co lại khi nó quay, vì vậy các nhà nghiên cứu tự hỏi liệu có thể ném một vật thể vào bên trong đủ cứng để làm cho hố đen quay đủ để giảm diện tích của nó hay không.

"Bạn sẽ khiến nó quay nhiều hơn, nhưng không đủ để làm đối trọng với khối lượng mà bạn vừa thêm vào. Dù bạn làm gì, khối lượng và độ xoáy sẽ làm cho nó có diện tích lớn hơn", Isi cho biết.

Để kiểm tra lý thuyết này, các nhà nghiên cứu đã phân tích các sóng hấp dẫn, hoặc các gợn sóng trong cấu trúc của không-thời gian, được tạo ra cách đây 1,3 tỷ năm bởi hai hố đen khổng lồ khi chúng chuyển động xoắn ốc về phía nhau với tốc độ cao. Đây là những sóng đầu tiên từng được phát hiện vào năm 2015 bởi Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser tiên tiến (LIGO), một chùm tia laser dài 1.864 dặm (3.000km) có khả năng phát hiện những biến dạng nhỏ nhất trong thời gian vũ trụ bằng cách chúng thay đổi đường đi của nó chiều dài.

Bằng cách chia tín hiệu thành hai nửa - trước và sau khi các hố đen hợp nhất - các nhà nghiên cứu đã tính toán khối lượng và spin của cả hai hố đen ban đầu và một lỗ mới kết hợp. Những con số này cho phép họ tính toán diện tích bề mặt của mỗi hố đen trước và sau vụ va chạm.

Diện tích bề mặt của hố đen mới được tạo ra lớn hơn diện tích của hai hố ban đầu cộng lại, khẳng định định luật diện tích của Hawking với mức độ tin cậy hơn 95%.

Các nhà nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ vào ngày 26/5 trên Tạp chí Physical Review Letters.

• Sự thật về những "tiếng khóc" của người chết phát ra từ lò hỏa thiêu: Không phải tâm linh!
• Nghiên cứu sốc: Có thể làm thời gian ngừng lại
• Top 12 "sự thật hiển nhiên" về khoa học, lịch sử đã thay đổi sau khi chúng ta rời ghế nhà trường