Lỗ đen quay tròn làm xoắn ánh sáng

Phần trong hình chữ nhật của bức ảnh ghép này thể hiện dao động pha của ánh sáng phát ra trong vùng phụ cận của một lỗ đen đang quay tròn. Hình dạng 3D ló ra khỏi hình chữ nhật là biểu diễn của chùm ánh sáng có xung lượng góc quỹ đạo. (Ảnh: Nature Physics)

Ánh sáng đi qua gần những lỗ đen đang quay tròn, nằm tại tâm của nhiều thiên hà, trở nên bị xoắn, có khả năng mang lại một phương pháp mới để kiểm tra thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Đó là kết luận của một đội gồm các nhà vật lí quốc tế, họ cho biết hiện tượng trên có thể nhìn thấy được với các kính thiên văn hiện có.

Thuyết tương đối tổng quát (GR), do Einstein thiết lập cách nay hơn 90 năm trước, tiên đoán một số hiện tượng có thể kiểm tra dễ dàng. Một thí dụ là sự hội tụ hấp dẫn – lực hấp dẫn của ngôi sao và lỗ đen có thể làm cong không-thời gian đủ để làm bẻ cong đường đi của ánh sáng. Một thí dụ khác là thời gian giãn nở, cái làm cho các đồng hồ đặt ở những nơi có trường hấp dẫn – thí dụ, ở những cao độ lớn, tíc tắc nhanh hơn. Các nhà khoa học vẫn đang cố gắng phát hiện ra một hiện tượng nữa mà thuyết tương đối tổng quát tiên đoán là sóng hấp dẫn. Đây là những gợn trong không-thời gian sinh ra khi những khối lượng lớn gia tốc.

Hồi năm 2003, Martin Harwit ở trường Đại học Cornell đã gợi ý rằng có thể có một hiệu ứng khác nữa có thể kiểm tra được bổ sung cho bộ công cụ GR này. Ông đang nói tới một tính chất của các photon gọi là xung lượng góc quỹ đạo (OAM). Xung lượng này khác với xung lượng góc spin nội quen thuộc hơn của photon, cái liên quan đến sự phân cực tròn của ánh sáng.

Những hiệu ứng hấp dẫn

Một cách trực tiếp phát hiện ra OAM của các photon trong phòng thí nghiệm đã được khám phá ra vào năm 2002 và, theo Harwitt, có thể còn có một số ứng dụng thiên văn vật lí của OAM, trong đó có sự nghiên cứu các lỗ đen đang quay tròn. “Một nghiên cứu lí thuyết đầy đủ của những hiệu ứng như vậy sẽ thật là hấp dẫn”, ông kết luận. Trong một bài báo công bố trên tạp chí Nature Physics hồi đầu tuần này, một nhóm nhà vật lí, đứng đầu là Bo Thidé thuộc Viện Vật lí Vũ trụ Thụy Điển ở Uppsala, đã vừa làm công việc đó.

Đội nghiên cứu đã thực hiện các phép tính dạng số của áp dụng đi qua các lỗ đen đang quay tròn; người ta cho rằng đây là phần lớn các lỗ đen trong vũ trụ. Xung quanh những vật thể cực kì đậm đặc này, không-thời gian trở nên bị xoắn trong một hiệu ứng gọi là sự kéo theo hệ thống. Khi ánh sáng đi vào vùng này, Thidé và các đồng nghiệp cho biết, các đầu sóng phẳng bình thường của nó cũng trở nên bị xoắn lại, chuyển thành hình xoắn ốc và thay đổi OAM. Lỗ đen quay càng nhanh, thì sự thay đổi OAM càng lớn.

“Đây là một mẫu phân tích lí thuyết thật đẹp, và có vẻ đình đám, diễn đạt trong khuôn khổ lí thuyết quang học hiện đại”, phát biểu của Gary Gibbons, một nhà lí thuyết chuyên về thuyết tương đối tổng quát ở trường Đại học Cambridge. Marcus Werner tại trường Đại học Duke nhận xét “Kết quả này có thể khá quan trọng, vì nó sẽ mở ra một phương pháp quan sát hoàn toàn mới”.

Khả năng còn thách thức

Để kiểm tra dự đoán của các nhà nghiên cứu trên, các nhà thiên văn vật lí sẽ cần phải khảo sát pha của các photon, sử dụng các kính thiên văn vô tuyến như Very Long Baseline Array tại Socorro ở New Mexico, Hoa Kì. Nếu tiên đoán trên được xác minh trong các phép đo, thì thuyết tương đối tổng quát sẽ được củng cố thêm. Nếu nó không được xác nhận – một khả năng vẫn khá trêu ngươi – thì có khả năng là thuyết tương đối tổng quát không cho biết toàn bộ câu chuyện về không-thời gian.

Martin Bojowald, tại trường Đại học bang Pennsylvania, đề xuất rằng có khả năng tiên đoán OAM có thể cho phép sự phát hiện trực tiếp các lỗ đen đang quay tròn – một kì công chưa từng thực hiện được, bất chấp sự chấp nhận rộng rãi cho sự tồn tại của chúng. Mặc dù thường là “đen”, những các lỗ đen được cho là phát ra một chút photon le lói gọi là bức xạ Hawking. Tuy nhiên, Bojowald tin rằng sự thay đổi OAM một ngày nào đó có thể sẽ đủ để tạo ra một dấu hiệu lọc ra bức xạ Hawking trong quan sát.

“Những phép tính mới của các quá trình lượng tử phát ra bức xạ Hawking là cần thiết, nhưng trước khi người ta có thể xử lí vấn đề đó, thì sự xoắn lại của ánh sáng đã mở đường cho những khả năng mới thú vị trong nghiên cứu vật lí của các lỗ đen”, ông nói.

Nguồn: Jon Cartwright (physicsworld.com)