nhìn lại ĐỐI TƯỢNG GRAVASTAR
nhìn lại
GRAVASTAR và WORMHOLE : NHỮNG ĐỐI TƯỢNG DẠNG LỖ ĐEN
Như chúng ta biết
aLIGO đã ghi nhận được sự cố mang dấu hiệu GW150914 . Sự cố này được diễn dịch
là tín hiệu của SHD (sóng hấp dẫn) phát ra từ sự hợp nhất của hai lỗ đen sau một quá trình
tiếp cận, xin xem [1].
Song nhiều công trình lý thuyết đã gợi ý rằng sự cố đó có
thể xuất phát từ những đối tượng sao lạ
(hypothetical
exotic stellar objects) như gravastar hoặc lỗ
sâu (wormhole) [2].Đây là những đối tượng lý thuyết gần giống lỗ đen chưa quan
sát được.
I. BA PHA (PHASE)
TRONG QUÁ TRÌNH GHI ĐO SHD
SHD trong tín hiệu GW150914 được cho là hình thành trong và sau quá trình hợp nhất của hai lỗ đen. Tần số sóng hấp dẫn
phát ra luôn thay đổi cho chúng ta biết quá trình diễn biến.Sau đây là ba pha của
quá trình đó:
1 / Quỹ đạo của 2 lỗ đen giảm dần và chúng bắt đầu
hợp nhất , đây là pha gọi là tiếp
cận xoắn (inspiral),
2 / Tiếp đến là pha hợp nhất
(merger), giai đoạn này phát ra một tiếng
chiếp (chirp) đặc trưng,
3 / Cuối cùng là pha hồi chuông kết thúc ( ringdown), khi lỗ đen
hình thành đi về trạng thái cuối cùng.
Trong pha cuối cùng xuất hiện một lỗ đen bị biến dạng rất nhiều ,
lỗ đen này sẽ trở về dạng bình thường và rung chuông báo hiệu. Tín hiệu phát đi
trong hai pha 2+3 này chính là tín hiêu GW150914. Tín hiệu này rất quan trọng
cung cấp thông tin về khối lượng, spin của hai lỗ đen ban đầu và lỗ đen cuối
cùng.
Các kiểu (mode) dao động của lỗ
đen vừa được hình thành gọi là QNM (quasi-normal
modes-kiểu dao động giả chuẩn, tức
là các kiểu dao động khi dao động tắt
dần, nếu dao động không tắt dần thì ta có các mode chuẩn, khi có QNM thì tần số dao động gồm hai phần ảo và
thực).
QNM của lỗ đen gắn
liền với các điều kiện biên tại chân trời sự cố -event horizon (trong trường
hợp lỗ đen thì vắng mặt các sóng ra ). Nếu đối tượng không có chân trời sự cố
thì điều kiện biên sẽ thay đổi hoàn toàn do đó ảnh hưởng đến cấu trúc của QNM.
Hiện nay vì tín hiệu không đủ mạnh cho nên khó lòng phân
biệt được các nguồn SHD mặc dầu về mặt lý thuyết điều này có thể thực hiện
được.Người ta tin rằng trong tương lai gần có thể có thêm thông tin về các
nguồn SHD-nhất là khi aLIGO đạt đến mức thiết kế cực đại.Thêm vào đó các
detector không gian như eLISA (European Space
Agency's Evolved Laser Interferometer Space Antenna) sẽ hỗ trợ tìm ra sự phân
biệt đó.
Các tính toán của Cardoso,Paolo Pani & Edgardo Franzin cho
thấy rằng một ringdown như vậy có thể
tạo nên bởi những đối tượng mô phỏng lỗ đen (black-hole mimicker). Đó là những gravastar
[3 & 4] mà nội vùng chứa năng lượng tối hoặc những lỗ sâu (wormhole)-những
đường hầm nối liền hai miền xa nhau của một vũ trụ hoặc nối liền hai vũ trụ [5].
Những đối tượng này sở hữu một đai ánh sáng (light ring) -
đó là những quỹ đạo tròn của photon bao quanh các đối tượng com-pắc (com-pắc có
nghĩa là có mật độ vật chất cao).
Những đai ánh sáng này khác với chân trời sự cố ở chỗ : ánh
sáng có thể thoát ra ngoài qua các đai ánh sáng
trong khi ánh sáng không thể thoát ra ngoài chân trời sự cố của lỗ đen.
Cardoso và đồng nghiệp chứng minh rằng nếu một đối tượng đủ
com-pắc để sở hữu một đai ánh sáng thì tín hiệu ringdown gần như tín hiệu ringdown
của lỗ đen.
II . GRAVASTAR [3
& 4]
Phương trình Einstein dẫn đến lỗ đen, song lỗ đen có điểm kỳ
dị vậy gây khó khăn đối với thuyết lượng tử.
Để thay thế lỗ đen
hai nhà vật lý là Pawel O. Mazur
(Đại học
đưa ra mô hình gravastar (gravitational vacuum condensate star = sao
hấp dẫn chân không condensate) không chứa điểm kỳ dị (vậy không gặp khó khăn
với thuyết lượng tử) và không có chân trời sự cố (event horizon) .
Sau đây gravastar
được viết tắt là GVS.
GVS là kết quả co
hấp dẫn của một sao làm cho bán kính sao tiến về gần bán kính Schwarzschild.Trong mô hình GVS các tác giả có chú ý đến thuyết lượng
tử .Bên ngoài thì GVS trông giống như một lỗ đen. Người ta ghi nhận được GVS khi GVS
thu hút vật chất rồi bức xạ.
Mô hình ban đầu của GVS có 5 lớp (hay vùng) nhưng sau quá
trình đơn giản hóa gồm 3 lớp (hay vùng), xem hình 1. Mỗi vùng thỏa mãn một hệ
thức nhất định giữa mật độ và áp suất:
Hình 1. Các lớp (hay vùng) của gravastar
Để so sánh với một lỗ đen ta có hình 2.
Hình 2. So sánh
lỗ đen với gravastar
Buộc điều kiện không có kỳ dị ở tâm các tác giả [3] chứng
minh rằng vùng I phải là không gian có hình học de Sitter,vùng I của GVS là một
không thời gian cong. .
Vùng II là một chất lỏng siêu tương đối tính thỏa mãn 
.
Vùng III là chân không trở thành phẳng ở vô cực sẽ là một
không gian Schwarzschild.
GVS được hình thành trong quá trình co hấp dẫn của một sao.
Quá trình co hấp dẫn này dẫn đến một biến đổi pha.Vùng trong I của GVS trở nên
không ổn định đối với sự hình thành một loại ngưng tụ Bose-Einstein hấp dẫn GBEC (Gravitational Bose-Einstein
Condensate), xem thêm hình 3.
Hình 3. Cấu trúc
của gravastar
Trong quá trình co hấp dẫn những
thăng giáng lượng tử của không thời gian trở nên lớn gây nên chuyển pha GBEC. Vùng ngưng tụ (condensate)
được bao bọc bởi một vỏ II hình thành vào vị trí của chân trời sự cố (event
horizon) của một lỗ đen tương ứng.
Một dị biệt lớn là gravastar
không có đường chân trời sự cố.Thay vào đó các photon có thể bị bắt vào một quỹ
đạo tròn quanh gravastar , quỹ đạo này gọi là đai ánh sáng (light ring)
Vùng I có một áp suất âm hướng
ra bên ngoài. Vật chất từ bên ngoài bị hút vào GVS , song sau khi đi qua vỏ II
thì lại bị áp suất âm của vùng I đẩy về vỏ II. Như vậy vỏ II chứa mọi vật chất baryonic
của GVS.
Các nhà vật lý chứng minh rằng
GVS là những lời giải ổn định của phương trình Einstein. Vì không có chân trời
sự cố nên GVS không giam cầm ánh sáng.
GVS được chứng minh có entropy
nhỏ hơn nhiều lần entropy của lỗ đen.
Mọi vật chất ở lân cận GVS khi rơi vào GVS sẽ dần bị bức xạ
dưới một dạng năng lượng khác cho nên GVS quả là một nguồn bức xạ mạnh hơn lỗ
đen vì lỗ đen chỉ hút mà không phát ra bức xạ ( ngoại trừ bức xạ Hawking).
Khối lượng của GVS là M, bán kính trong của vỏ bọc là r1 bán kính ngoài là r2 (cũng là bán kính của
GVS).
Theo các tác giả [4], sau khi so sánh phần ảo và phần thực
của ringdown của tín hiệu GW150914 với các đại lượng tương ứng của gravastar
các tác giả kết luận rằng tín hiệu ringdown
chỉ có thể tạo nên bởi gravastar nếu như bề mặt của nó vô cùng gần
(infinitesimally close )với chân trời sự cố.
Theo các tác giả Vitor Cardoso (Perimeter Institute for
Theoretical Physics), Edgardo Franzin (University
[5] , một đối tượng mô phỏng lỗ đen khác có thể là một lỗ
sâu (xem hình 4).
Trên hình 4 ta có một lỗ đen (bên trái ) và một lỗ sâu (bên
phải ). Điều đáng chú ý nhất là lỗ sâu khác với lỗ đen không có điểm kỳ dị và
không có đường chân trời sự cố.
Thay vào đó lỗ sâu có hai đai ánh sáng ở hai phía cổ (throat) của lỗ sâu là hình ảnh tương tự
của chân trời sự cố của lỗ đen. Lỗ sâu nối liền hai miền khác nhau của một vũ
trụ hoặc nối liền hai vũ trụ khác nhau.
Hình 4
. Bên trái là lỗ đen có chứa điểm kỳ dị (singularity) và chân trời sự cố.
Bên phải là lỗ sâu (wormhole)không có điểm kỳ dị và không có
chân trời sự cố:
1&3 là các đai ánh sáng (light ring) ,2 là cổ (throat) của
lỗ sâu ,4 là quỹ đạo của hạt đi vào lỗ sâu và bay ra một miền khác hoặc vũ trụ
khác.
Lỗ sâu được kết thành nhờ khâu lại với nhau hai metric
Schwazschild có cùng khối lượng M tại cổ (throat) của lỗ sâu (xem hình 4 , cổ của lỗ sâu được đánh dấu bằng số
2).Điều này làm liên tưởng đến sự hợp nhất của hai đối tượng đang sắp sửa thành
lỗ đen (bán kính tại cổ của lỗ sâu r 0 > r của lỗ đen=2M , ở đây dùng G = c = 1 ).Tác động của lỗ sâu mô
phỏng tác động của một lỗ đen: có hạt bay vào và có hạt bức xạ ra.
IV . HỒI CHUÔNG KẾT THÚC, CÁC KIỂU DAO ĐỘNG GIẢ CHUẨN,ĐAI
ÁNH SÁNG (RINGDOWN,QNM,LIGHT RING) [4&5]
Người ta tin rằng tín hiệu ringdown (hồi chuông kết thúc)
chứng tỏ sự hình thành một chân trời sự cố sau giai đoạn hợp nhất (merger). Điều này dựa trên giả định
rằng dạng sóng ringdown được xác định bởi QNM (Quasi-normal Modes-Các kiểu dao
động giả chuẩn) của đối tượng được hình thành cuối cùng.
Cần nhấn mạnh rằng khẳng định trên cần phát biểu cẩn trọng
vì rằng mọi đối tượng sở hữu một đai ánh sáng cũng hiển thị một ringdown như
thế, mặc dầu các phổ các QNM có thể khác với QNM lỗ đen.Nói cách khác một
ringdown phổ quát biểu hiện sự tồn tại một đai ánh sáng hơn là một chân trời sự
cố.
Chỉ có những quan trắc chính xác hơn sau tín hiệu ringdown khi mà các sự khác nhau
trong phổ QNM bộc lộ rõ ràng mới có thể phân biệt được các đối tượng lạ khác lỗ
đen .
V. KẾT LUẬN
Trong quá trình ghi đo sóng hấp dẫn của aLIGO tín hiệu
GW150914 có khả năng được tạo nên bởi những đối tượng tựa lỗ đen như gravastar
hoặc lỗ sâu (wormhole) trên cơ sở một số giả thiết. Để phân biệt các đối tượng -nguyên
nhân của tín hiệu người ta cần có một tín hiệu mạnh hơn hoăc sự cố xảy ra gần
hơn trong vũ trụ và khi sử dụng những dữ liệu sau pha hồi chuông kết thúc ( ringdown phase) khi mà các sự khác nhau
trong phổ QNM xuất hiện tường minh.
Tài liệu tham khảo
[1]http://tiasang.com.vn/Default.aspx?tabid=111&CategoryID=2&News=9417
[2] Tushna Commissariat ,Are wormholes or
'gravastars' mimicking gravitational-wave signals from black holes?
[3] Pawel O. Mazur , and Emil Mottola
Gravitational
Condensate Stars: An Alternative to Black Holes
arXiv:gr-qc/0109035v5 27 Feb 2002
[4]Cecilia Chirenti
and Luciano Rezzolla, Did GW150914 produce a rotating gravastar?
ìninitessimal
arXiv:1602.08759v1 [gr-qc] 28 Feb 2016
[5]Vitor Cardoso ,
Edgardo Franzin , Paolo Pani
Is the
Gravitational-Wave Ringdown a Probe of the Event Horizon?
arXiv:07309v3 [gr-qc] 27 April 2016
Nhận xét
Đăng nhận xét