Nhà bác học Albert Einstein đã đưa ra dự đoán về sự tồn tại của sóng hấp từ năm 1916 dựa trên thuyết tương đối rộng, nhưng phải mất đúng một thế kỷ, với sự hỗ trợ từ Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO), các nhà thiên văn học mới thu được tín hiệu trực tiếp đầu tiên về loại sóng này từ một sự kiện hợp nhất giữa hai hố đen.
Tuy nhiên, LIGO chỉ có thể phát hiện sóng hấp dẫn gây ra bởi các cặp hố đen nhỏ có khối lượng tương đương nhau. Điều này đặt ra thách thức trong việc mô phỏng các sự kiện va chạm giữa các hố đen chênh lệch lớn bởi nó đòi hỏi một loạt các tính toán với độ chính xác cao ở nhiều độ phân giải lưới. Trước đây, tỷ lệ khối lượng lớn nhất từng được mô phỏng là 16:1.
Mô phỏng sóng hấp dẫn gây ra cặp hố đen tương đồng kích thước. Ảnh: Caltech.
Trong một nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters trong tháng 11, Giáo sư toán học Carlos Lousto từ Học viện Công nghệ Rochester (RIT) của Mỹ đã công bố một công trình đột phá khi lần đầu tiên mô phỏng quá trình hợp nhất giữa hai hố đen có tỷ lệ khối lượng lên tới 128:1, mức chênh lệch vượt xa kỷ lục cũ.
Để vượt qua các giới hạn tính toán thông thường, Lousto cùng các cộng sự đã sử dụng siêu máy tính Frontera tại Trung tâm điện toán nâng cao Texas (TACC) thuộc Đại học Texas. Đây là siêu máy tính nhanh nhất ở các trường đại học và mạnh thứ 8 trên thế giới.
Giống như các mô hình máy tính trong nhiều lĩnh vực khác, nhóm của Lousto cũng sử dụng một phương pháp được gọi là "sàng lọc lưới thích ứng" để có được các mô hình chính xác về động lực học của các hố đen khi tương tác. Nó liên quan đến việc đặt các hố đen, khoảng không giữa chúng và người quan sát trên một mạng lưới và tinh chỉnh các vùng của lưới để cho độ chi tiết cao hơn ở những nơi cần thiết.
Sau 7 tháng tính toán liên tục trên siêu máy tính Frontera, nhóm nghiên cứu cuối cùng đã hoàn thiện mô phỏng. Nó không chỉ cho thấy sóng hấp dẫn trông như thế nào trong sự kiện hợp nhất mà còn ước tính được tốc độ quay và độ giật của các hố đen, cũng như khối lượng cuối cùng của chúng sau khi hợp nhất.
Mô phỏng quá trình hợp nhất của hai hố đen có tỷ lệ khối lượng 128:1. Video: Carlos Lousto/RIT.
"Cặp hố đen di chuyển với tốc độ lớn hơn nhiều so với những gì đã biết trước đây. Chúng quay quanh nhau với tốc độ lên tới 5.000 km mỗi giây và có thể bay ra khỏi một thiên hà để phiêu bạt trong vũ trụ", Lousto mô tả trong báo cáo.
Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng kết quả nghiên cứu này không phải là mô hình duy nhất. Các hố đen có thể có nhiều vòng quay và cấu hình khác nhau, điều này sẽ tác động đến biên độ và tần số của sóng hấp dẫn. Lousto muốn giải các phương trình thêm 11 lần nữa để có được một loạt "mô hình mẫu" đầu tiên.
Có thể sẽ cần nhiều thập kỷ để xác nhận kết quả nghiên cứu của Lousto bằng thực nghiệm nhưng không thể phủ nhận, công trình của họ là một thành tựu tính toán, góp phần thúc đẩy lĩnh vực vật lý thiên văn phát triển. Mô phỏng mới cũng sẽ hữu ích trong việc thiết kế máy dò sóng hấp dẫn để lên kế hoạch cho các sứ mệnh trong tương lai.
Đoàn Dương (Theo Phys)