Header Ads

Lần đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn

Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà khoa học đã phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn – là những gợn sóng trong vũ trụ làm bóp méo không-thời gian. Các nhà khoa học ở LIGO đã công bố vào ngày 11/2 rằng đã phát hiện ra sóng hấp dẫn (gravitational wave) bởi tín hiệu đến từ sự va chạm của hai hố đen được phát hiện vào ngày 14/9/2015 tại Livingston, Louisiana và Hanford, Washington.

Hình minh họa cho thấy sóng hấp dẫn được sản sinh ra từ hai sao lùn trắng quay quanh nhau trong một hệ gọi là J0651. Bản quyền hình : NASA.
Hình minh họa cho thấy sóng hấp dẫn được sản sinh ra từ hai sao lùn trắng quay quanh nhau trong một hệ gọi là J0651. Hình ảnh: NASA.

Vụ va chạm giữa hai hố đen này đã truyền sóng hấp dẫn ra ngoài và đi với tốc độ ánh sáng, gây ra những gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian. Đây là bằng chứng trực tiếp đầu tiên về một điều mà nhà khoa học Albert Einstein đã dự đoán từ năm 1916, tức là đúng một thế kỷ trước.

Điều này lấp đầy khoảng trống về cái nhìn của chúng ta ra vũ trụ, trong đó không gian và thời gian đan xen vào nhau, chúng có thể giãn nở ra hoặc co lại, cũng như rung lắc nhẹ. Và đây cũng là một xác nhận về bản chất của hố đen: những hố không đáy với lực hấp dẫn cực mạnh – ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi miệng hố.

Tổng quan hơn, điều này có nghĩa là sự tò mò và dự đoán của Einstein về những câu hỏi từ một trăm năm trước cuối cùng cũng được nghiên cứu một cách chính thức và rõ ràng nhất về khía cạnh vật lý, lúc những thứ kỳ lạ và điên rồ nhất của Einstein đã trở thành sự thật.

Từ trước tới nay, chúng ta chỉ thấy biến dạng không-thời gian vào những lúc bình thường, giống như ngắm đại dương vào những ngày đẹp trời chứ chưa thấy nó dậy sóng vào những ngày dông bão.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Đài Quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế qua tia laser), là một nhóm các nhà khoa học trên toàn thế giới, cùng với các nhà khoa học từ một nhóm khoa học gia ở Châu Âu được gọi là Virgo Collaboration đã công bố nghiên cứu này trên Physical Review Letters vào thứ năm, 11/2/2016 vừa qua với hơn 1.000 tác giả.

“Đây sẽ là bước đột phá lớn về vật lý trong suốt thời gian dài. Trước giờ chúng ta nghiên cứu thiên văn học như một cặp mắt, giống như các nhà chiêm tinh chỉ quan sát bầu trời, bây giờ chúng ta đã có thêm đôi tai, là để nghe ngóng sâu hơn vào không gian và thời gian. Vậy là từ trước tới nay chúng ta chưa có tai, chỉ có mắt,” Szabolcs Marka là Giáo sư ở Đại học Columbia, cũng là một nhà khoa học ở LIGO cho biết.

Phát hiện này là một thắng lợi cho ba nhà vật lý: Kip Thorne từ Viện Công nghệ California, Rainer Weiss thuộc Viện Công nghệ Massachusetts và Ronald Drever là cựu giáo sư ở Viện Công nghệ California và giờ đã nghỉ hưu ở quê nhà Scotland - là những người đã đặt cược cả sự nghiệp của mình vào giấc mơ đo lường những thứ dường như không thể trong các lý thuyết của Einstein.

Các hố đen va chạm nhau mà LIGO quan sát được đã tạo ra một cơn bão, ở đó thời gian trôi nhanh, tăng tốc dần rồi chậm lại, sau lại tăng tốc. Một cơn bão không gian được uốn cong theo cách này.

Khi Einstein công bố giả thuyết của mình vào năm 1915, ông đã viết lại các định luật về không gian và thời gian đã tồn tại từ hơn 200 năm, từ thời của Newton, những định luật cũ cho rằng không-thời gian tĩnh lặng và cố định cho toàn vũ trụ. Einstein nói rằng, vật chất tác động lên không gian và làm bẻ cong không-thời gian.

Một sự rối loạn vũ trụ có thể gây ra sự căng ra, sụp đổ không-thời gian, sản sinh ra những gợn sóng của lực hấp dẫn, gọi là Sóng hấp dẫn. Einstein không hoàn toàn chắc chắn về những cơn sóng đó. Năm 1916, ông nói với Karl Schwarzschild – người phát hiện ra hố đen, rằng sóng hấp dẫn không tồn tại, rồi sau đó họ lại nó là có tồn tại. Năm 1936, ông và trợ lý Nathan Rosen đã xuất bản một bài báo về những ý tưởng.

Theo các phương trình vật lý, sóng hấp dẫn sẽ nén không gian về một hướng và kéo dài nó ra một hướng khác. Năm 1969, nhà vật lý Joseph Weber ở Đại học Maryland đã tuyên bố phát hiện sóng hấp dẫn bằng một xi lanh nhôm sáu chân dài như một cái anten. Nếu sóng gây ra tần số thích hợp sẽ làm cho vòng xi lanh rung lên như một âm thoa.

Trong khi đó vào năm 1978, các nhà thiên văn học Joseph H. Taylor Jr. và Russell A. Hulse ở Đại học Massachusetts đã sử dụng phương pháp vô tuyến để khám phá ra sao neutron quay quanh nhau, sao neutron là phần còn lại rất đậm đặc sau khi một ngôi sao đã chết. Một trong số đó là một pulsar, là thiên thể phát ra tia bức xạ điện từ rất mạnh. Bằng việc tính toán thời gian, các nhà thiên văn xác định rằng các ngôi sao bị mất năng lượng gần như cùng nhau ở tốc độ được dự đoán trước nếu chúng tỏa ra sóng hấp dẫn.

Tiến sĩ Hulse và Tiến sĩ Taylor được trao Giải thưởng Nobel Vật lý vào năm 1993.

Một nhóm các nhà thiên văn học lấy tên nhóm là Bicep đã lên trang nhất của các báo chí vào năm 2014 khi họ tuyên bố đã phát hiện các sóng hấp dẫn từ thuở ban đầu của Vụ nổ lớn (Big Bang) bằng việc sử dụng một kính viễn vọng ở Nam Cực, nhưng họ cũng thừa nhận rằng có lẽ quan sát của họ bị tạp nhiễm bụi khí giữa các ngôi sao.

Tiến sĩ Thorne của Caltech và Tiến sĩ Weiss của Viện Nghiên cứu Massachusetts đã gặp nhau vào năm 1975, họ chia tiền phòng để ở cùng nhau sau một cuộc họp ở Washington. Tiến sĩ Thorne nổi tiếng là một nhà lý luận về hố đen, nhưng ông đang tìm kiếm một lãnh vực mới để chinh phục. Họ đã thức suốt đêm và cùng nhau bàn bạc, làm thế nào để kiểm tra thuyết tương đối rộng và tranh luận về cách tốt nhất để tìm kiếm sóng hấp dẫn.

Tiến sĩ Thorne đã mời Tiến sĩ Drever, là một nhà thực nghiệm tài năng từ Đại học Glasgow, để bắt đầu một chương trình về sóng hấp dẫn ở Caltech. Tiến sĩ Drever muốn sử dụng ánh sáng từ chùm tia laser phản xạ giữa các gương được định vị chính xác để phát hiện sự siết chặt và giãn ra của một làn sóng đi qua.

Tiến sĩ Weiss đã cố gắng để làm một nỗ lực tương tự ở Viện Nghiên cứu Massachusetts, cũng sử dụng phương pháp laser, nhưng các hố đen là một thứ xa xỉ vào thời đó.

Dù đã rất cố gắng, nhưng kết quả đã chống lại họ. Các nhà nghiên cứu tính toán rằng một làn sóng hấp dẫn điển hình tới từ ngoài không gian sẽ thay đổi khoảng cách giữa một cặp gương bởi số lượng gần như không thể nhìn thấy: một phần tỷ của ngàn tỷ (one part in a billion trillion). Tiến sĩ Weiss nhớ lại rằng, khi ông giải thích thí nghiệm của ông cho các nhà tài trợ tại Quỹ Khoa học Quốc gia, mọi người đều nghĩ rằng ông bị mất trí.

Năm 1984, Quỹ Khoa học Quốc gia đã lệnh cho hai nhóm của Tiến sĩ Weiss và Tiến sĩ Throne hợp lại thành một.

Tiến độ của nghiên cứu vẫn cứ chậm chạp cho tới khi ba nhà vật lý nâng cấp thiết bị thành phiên bản mới hơn vào năm 1987. Phiên bản đầu tiên của thí nghiệm, được gọi ban đầu là LIGO, bắt đầu làm việc từ năm 2000 và được hoạt động trong suốt 10 năm, chủ yếu là để cho thấy rằng nó có thể làm việc trên quy mô cần thiết.

Phiên bản mới này gồm hai thiết bị, một ở Hanford, Washington và một ở Livingston, Los Angeles. Họ thực hiện lần thứ nhất từ một anten ở Louisiana, và một lần nữa khi thực hiện thì một chiếc xe tải bị bắn trúng ở Hanford. Nói chung là cả hai lần này đều bị thất bại.

Trong 5 năm qua, toàn bộ hệ thống được xây dựng lại để tăng độ nhạy cảm của nó tới điểm cần đến, rồi sau đó các nhà khoa học sẽ nghe được điều gì đó.

Anten của LIGO có hai cánh tay tạo thành hình chữ L, hai cánh tay dài khoảng 4 cây số và vuông góc nhau. Bên trong mỗi cánh tay có lớp thép và lớp bê tông, một buồng chân không rộng vài feet chứa khoảng 9,5 triệu lít không gian trống rỗng. Cuối mỗi cánh tay là gương treo thủy tinh, tách biệt khỏi các vụ va chạm mạnh của môi trường rất tốt.

Như vậy, LIGO có thể phát hiện được những thay đổi của các tia laser trong phạm vi chiều dài của cánh tay, phát hiện được sự thay đổi nhỏ bằng một phần mười ngàn đường kính của một proton. Một hạ nguyên tử quá nhỏ bé như thế này như một làn sóng hấp dẫn quét qua, những kính hiển vi mạnh mẽ nhất cũng không thể phát hiện được điều này.

LIGO được thiết kế để nắm bắt các vụ va chạm của các ngôi sao neutron hay các vụ nổ tia gamma. Khi các sao neutron gần nhau, chúng sẽ quay quanh nhau nhanh hơn ở tốc độ vài trăm lần mỗi giây, mô hình rung chuyển không-thời gian này càng ngày tăng nhanh sẽ được ghi lại trong cánh tay của LIGO và được gọi là sweet spot (điểm ngọt).

Tiến sĩ Thorne hy vọng sẽ nghe được những điều lý thú trên từ LIGO, nhưng ông không nghĩ nó lại xảy ra nhanh đến thế. Vào ngày 14/9 năm 2015, khi hệ thống máy móc còn chưa kịp hiệu chỉnh cho hoàn tất thì một cuộc chạy đua kỹ thuật đã diễn ra vào 4 giờ sáng khi một tín hiệu lớn phát ra từ trạm ở Livingston. Dữ liệu đã được truyền tới. David Reitze là Giáo sư ở Caltech, cũng thuộc dự án LIGO, chính là người đã chạy máy dò vào ngày hôm đó.

Đúng 7 mili giây sau đó, một tín hiệu khác lại gõ cửa trạm Hanford, các nhà khoa học ở LIGO xác định rằng khả năng các tín hiệu này đã hạ cánh gần như đồng thời. Lúc này không còn ai thức ở Hoa Kỳ, chỉ có các đồng nghiệp ở Châu Âu nhận thấy điều này.

Tiến sĩ Reitze lập tức lên máy bay và tới Louisiana vào ngày tiếp theo. Lúc này, Tiến sĩ Weiss đang có kỳ nghỉ ở Maine.

Tần số của tín hiệu này là quá thấp cho một ngôi sao neutron. Các nhà khoa học sau đó đã tính toán kỹ lưỡng và đã nhìn xa hơn về vũ trụ : một cặp hố đen đã làm chấn động cả cộng đồng vật lý thiên văn.

Một tín hiệu có khối lượng gấp 36 lần Mặt Trời, tín hiệu kia thì gấp 29 lần. Khi tín hiệu sắp hết, nó có tốc độ bằng một nửa tốc độ ánh sáng và chúng quay quanh nhau 250 lần mỗi giây. Rồi sau đó, tín hiệu dừng lại khi hai hố đen nhập lại làm một, một hố đen thống nhất có khối lượng khoảng 62 lần so với Mặt Trời. Tất cả diễn ra chỉ trong vài giây trên Trái Đất.

Tiến sĩ Weiss cho biết, bạn có thể làm các tín hiệu kiểu như vậy bằng cách lấy móng tay của mình cọ xát lên các phím đờn piano từ cung thấp tới cung C trung.

Tín hiệu chấm dứt khi nó có khối lượng gấn ba lần Mặt Trời, sóng hấp dẫn ta không cảm nhận được. Khi ánh sáng này có thể quan sát được, nó sẽ tương đương với một tỷ của ngàn tỷ (a billion trillion) lần so với Mặt Trời.

Làn sóng này di chuyển với khoảng cách chỉ bằng 4/1000 khoảng cách của một proton trong gương của LIGO. Tín hiệu xảy ra đúng chính xác như những gì mô phỏng về thuyết tương đối trên máy tính.

Ngay sau sự kiện tháng 9 đó, LIGO đã thu nhận được những tín hiệu khác, những tín hiệu yếu ớt, có lẽ cũng từ hố đen. Tiến sĩ Weiss cho biết, đã có ít nhất bốn tín hiệu được ghi nhận từ khi LIGO được chạy lần đầu, kết thúc vào tháng 1. Lần chạy thứ hai từ mùa hè này. Vào mùa thu, một thiết bị khác là Advanced Virgo được vận hành bởi Đài Quan sát Lực hấp dẫn của Châu Âu (European Gravitational Observatory) ở Ý sẽ được khởi động. Các quốc gia Ấn Độ và Nhật Bản cũng đang sắp có các dự án về sóng hấp dẫn.

Như vậy, các nhà khoa học đã biết rằng các cặp hố đen có tồn tại trong vũ trụ và họ đang phải giải thích các câu hỏi về nó. Theo Vicky Kalogera từ Đại học Northwestern, có hai trường hợp ta cần xem xét : Một là vào buổi bình minh của vũ trụ, khi những ngôi sao thiếu các nguyên tố nặng hơn heli, chúng chưa phát triển đến một kích cỡ nào đó mà sụp đổ thẳng vào các hố đen, sự sụp đổ này không trở thành các vụ nổ siêu tân tinh (supernova). Hai là trong những nơi mà các ngôi sao tập trung lại rất dày đặc, nhưng các cụm sao cầu.

Hiện thời vẫn chưa có thử nghiệm nào khác để đo lường sóng hấp dẫn, LIGO là máy đo nhạy cảm nhất về sóng này, nên vẫn chưa có kết quả nào khác để so sánh.

LIGO là một dự án được điều hành bởi Viện Nghiên cứu California và được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ. Dự án LIGO nay đã có hơn 1000 thành viên tới từ 83 tổ chức và 15 quốc gia.

Mời bạn xem bài công bố Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger.

Quang Niên
Theo The New York Times