Từ đầu những năm 1970, các định luật của Stephen Hawking về cơ học hố đen đã mang lại một mối liên kết thỏa đáng giữa vật lý cực đoan và thông thường, trở thành mô hình chuẩn mực suốt 50 năm qua. Tuy nhiên, hệ thống này lộ ra hạn chế nghiêm trọng khi chỉ được thiết lập cho các hố đen ở trạng thái cân bằng, không thay đổi theo thời gian. Trong vũ trụ thực tế, hố đen hiếm khi đứng yên mà luôn liên tục biến đổi thông qua các quá trình hình thành, tích tụ vật chất, sáp nhập và bốc hơi.
Hình minh họa một lỗ đen đang phát triển do dòng năng lượng đổ vào.
Để vượt qua rào cản thế kỷ này, một nghiên cứu mới dẫn đầu bởi giáo sư Abhay Ashtekar từ đại học Bang Pennsylvania đã đề xuất phương pháp tính toán entropy hố đen hoàn toàn mới.
Entropy vốn là thước đo độ hỗn loạn và không thể giảm đi theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Hệ thống lý thuyết mới đã liên kết entropy trực tiếp với năng lượng và mô-men động lượng quay (spin) của hố đen. Cách tiếp cận này giúp giới khoa học có một phương thức thực tế hơn để nghiên cứu hố đen động khi chúng đang tiến hóa.
Trận chiến chân trời sự kiện và giải pháp thay thế từ chân trời động
Trước đây, Hawking đề xuất rằng entropy tỷ lệ thuận với diện tích chân trời sự kiện – ranh giới ngăn chặn mọi vật thể và ánh sáng thoát ra ngoài. Tuy nhiên, trong các tình huống động, chân trời sự kiện có thể hình thành ở những vùng không-thời gian phẳng phẳng lặng, khiến thuộc tính của nó bị phụ thuộc vào tương lai. Tính chất hướng về tương lai này tạo ra bài toán mục đích luận phức tạp, khiến diện tích chân trời sự kiện không thể làm thước đo entropy vật lý chính xác cho một hố đen đang biến đổi.
Nhằm giải quyết triệt để khó khăn trên, nhóm nghiên cứu đề xuất thay thế chân trời sự kiện bằng khái niệm "chân trời động". Chân trời động có thể được xác định bằng cách sử dụng chính các đặc tính vật lý của hố đen tại một thời điểm cụ thể, hoàn toàn loại bỏ được bài toán mục đích luận. Mô hình này giúp mở rộng định luật nhiệt động lực học cho các hố đen không ở trạng thái cân bằng, mở ra chương mới cho các nghiên cứu mô phỏng máy tính vũ trụ.
Hình minh họa hố đen vũ trụ.
Hệ thống lý thuyết mở rộng này mang lại công cụ đắc lực giúp các nhà vật lý giải thích chính xác những vụ sáp nhập hố đen khổng lồ. Đặc biệt, nó hỗ trợ phân tích dữ liệu sóng hấp dẫn được phát hiện bởi sự hợp tác của mạng lưới LIGO-Virgo-KAGRA. Đồng thời, đây cũng là chìa khóa mở ra cánh cửa nghiên cứu quá trình bốc hơi của hố đen vẫn còn đầy bí ẩn trong lý thuyết lượng tử. Khám phá này được tạp chí Physical Review Letters vinh danh là một gợi ý quan trọng cho ngành thiên văn học.
An An - TechSciDaily
