Vì sao lỗ đen dường như quên lịch sử hình thành?

Sau khi hai lỗ đen hợp nhất, thiên thể mới sinh không lập tức yên ổn. Nó rung trong vài mili giây và phát ra những gợn sóng hấp dẫn tắt dần, gần giống tiếng chuông nhỏ đi sau một cú đánh. Tín hiệu này được gọi là ringdown. Khi dao động kết thúc, người quan sát bên ngoài chỉ còn xác định được một vài đặc trưng tổng quát của lỗ đen, còn phần lớn chi tiết về vụ va chạm đã trở nên không thể tiếp cận. Sự “quên” ấy không phải trí nhớ bị xóa theo nghĩa thông thường. Đó là hệ quả của chân trời sự kiện, trạng thái cuối rất đơn giản của lỗ đen và cách entropy che khuất lịch sử vi mô phía sau những đại lượng quan sát được. [1]

Ringdown thực chất là gì?

Một chiếc chuông bị gõ sẽ dao động theo những tần số đặc trưng rồi mất dần năng lượng. Lỗ đen bị xáo trộn cũng trải qua quá trình tương tự, nhưng nó không đẩy không khí để tạo âm thanh. Thay vào đó, hình dạng của không-thời gian quanh lỗ đen dao động và phát ra sóng hấp dẫn. Một phần sóng đi vào chân trời sự kiện, phần khác truyền ra ngoài với tốc độ ánh sáng. Đoạn tín hiệu yếu dần sau cuộc hợp nhất chính là ringdown của lỗ đen còn lại. [1]

Năm 1957, Tullio Regge và John Wheeler đã nghiên cứu phản ứng của một lỗ đen Schwarzschild khi bị nhiễu loạn nhỏ. Kết quả cho thấy lỗ đen ổn định: nó không tiếp tục biến dạng vô hạn mà dao động ở những tần số có thể dự đoán trước rồi trở về trạng thái cân bằng. Ringdown vì thế là giai đoạn chuyển tiếp, khi một vật thể vừa trải qua cuộc hợp nhất dữ dội đang loại bỏ các biến dạng còn sót lại. [1]

Vì sao trạng thái cuối lại đơn giản đến vậy?

Theo mô tả cổ điển, một lỗ đen đã ổn định có rất ít đặc trưng mà bên ngoài có thể đo được. Với lỗ đen quay kiểu Kerr, các đại lượng chính là khối lượng và tốc độ quay. Điện tích cũng có thể xuất hiện trong mô hình tổng quát, nhưng trong tự nhiên nó thường nhanh chóng bị trung hòa. Hình dạng phức tạp tức thời sau va chạm không trở thành một nét riêng tồn tại lâu dài; nó được giải phóng qua sóng hấp dẫn hoặc bị che khuất sau chân trời sự kiện. [1]

Đặc tính này thường được diễn đạt bằng định lý không tóc: những lỗ đen có cùng khối lượng, độ quay và điện tích sẽ không để lộ thêm dấu hiệu bên ngoài giúp phân biệt lịch sử của chúng. Một lỗ đen có thể hình thành từ sự sụp đổ của sao, nuốt thêm vật chất hoặc trải qua nhiều lần hợp nhất, nhưng các chi tiết ấy không hiện thành vết sẹo quan sát được trên trạng thái cuối. Từ góc nhìn bên ngoài, vô số con đường hình thành cùng dẫn tới một mô tả ngắn gọn. [1]

Lịch sử đã mất hay chỉ bị che khuất?

Chân trời sự kiện là ranh giới một chiều: vật chất và tín hiệu có thể đi vào nhưng không thể quay lại để báo cho bên ngoài điều đã xảy ra. Vì thế, nói lỗ đen “quên” trước hết có nghĩa là lịch sử của nó không còn nằm trong những đặc trưng mà người quan sát bên ngoài tiếp cận được. Cách diễn đạt này không tự động chứng minh mọi thông tin đã bị hủy khỏi tự nhiên; nó chỉ xác định giới hạn của bức tranh cổ điển nhìn từ ngoài chân trời. [1]

Có thể hình dung hai hộp kín trông hoàn toàn giống nhau, dù những vật được đặt vào mỗi hộp theo thứ tự khác nhau. Nếu không có cách mở hộp hoặc nhận tín hiệu từ bên trong, trạng thái bên ngoài không đủ để dựng lại từng chuỗi sự kiện. Với lỗ đen, đây không chỉ là trở ngại kỹ thuật của một dụng cụ chưa đủ tốt: cấu trúc nhân quả của chân trời sự kiện ngăn thông tin bên trong truyền ngược ra ngoài. Bản chất vi mô của các trạng thái ẩn sau mô tả đơn giản ấy vẫn là câu hỏi gắn với vật lý lượng tử. [1]

Tiếng rung kiểm tra Einstein như thế nào?

Tần số ringdown không tùy ý. Trong thuyết tương đối rộng, chúng liên hệ với khối lượng và độ quay của lỗ đen sau hợp nhất. Bởi vậy, tín hiệu tắt dần vừa cho biết đặc điểm của thiên thể còn lại, vừa tạo ra một phép kiểm tra lý thuyết hấp dẫn của Einstein. Nếu các tần số quan sát được lệch khỏi những giá trị mà mô hình dự đoán theo cách có hệ thống, sự khác biệt đó có thể báo hiệu rằng cách hiểu hiện nay về hấp dẫn còn thiếu một thành phần nào đó. [1]

Điều đáng chú ý là giai đoạn chứa thông tin này rất ngắn. Các biến dạng mạnh nhất nhanh chóng suy giảm, để lại lỗ đen gần như ổn định. Nhà nghiên cứu vì thế phải đọc lịch sử gần nhất của vụ hợp nhất qua một dấu vết đang biến mất, chứ không phải qua một bề mặt lưu giữ vĩnh viễn các chi tiết. Ringdown ghi lại cách lỗ đen đi tới trạng thái cuối; sau khi quá trình ấy kết thúc, chính trạng thái cuối lại không kể đầy đủ con đường đã dẫn tới nó. [1]

Entropy liên quan gì đến chiều trôi thời gian?

Entropy giúp giải thích vì sao một mô tả đơn giản có thể che giấu vô số chi tiết. Hãy xét mùi nước hoa vừa được xịt gần cửa: ban đầu vị trí của nó còn rõ, nhưng các phân tử dần lan khắp phòng. Có rất nhiều cách sắp xếp vi mô tương ứng với trạng thái mùi đã phân tán, trong khi chỉ rất ít cách giữ chúng tập trung gần chỗ ban đầu. Vì những trạng thái phân tán áp đảo về số lượng, hệ gần như luôn tiến về phía khó truy lại nguồn gốc hơn. Đó là một cách nhìn về entropy tăng và chiều trôi của thời gian. [1]

Sự tương đồng với lỗ đen xuất hiện ở diện tích chân trời sự kiện. Trong mô tả cổ điển được nêu, diện tích này không giảm khi lỗ đen tiến hóa. Jacob Bekenstein nhận ra điều đó giống quy luật entropy tăng: nếu một đám khí mang entropy rơi vào lỗ đen, entropy không thể đơn giản biến mất khỏi tổng thể. Ông đề xuất rằng kích thước chân trời phải gắn với entropy của chính lỗ đen, dù bản chất cụ thể của các trạng thái vi mô tạo nên entropy ấy vẫn còn được tranh luận. [1]

Căn phòng có nước hoa và lỗ đen đều cho thấy lịch sử có thể bị nén vào một trạng thái vĩ mô không còn tiết lộ các chi tiết ban đầu. Tuy nhiên, lỗ đen đưa sự che khuất đi xa hơn: với căn phòng, về nguyên tắc có thể tưởng tượng việc biết chính xác chuyển động của mọi phân tử rồi lần ngược chúng; với lỗ đen, người đứng ngoài không được tiếp cận phần bên kia chân trời sự kiện. Vì thế, tiếng rung tắt dần không chỉ đánh dấu sự yên ổn sau va chạm. Nó là khoảnh khắc cuối cùng mà lỗ đen còn để lộ một phần quá trình mình vừa trải qua. [1]