Hành trình nghiên cứu và phát hiện Sóng hấp dẫn

     Các nhà khoa học đoạt Giải Nobel Vật lý 2017 là giáo sư Rainer Weiss từ Viện Công nghệ Massachusetts, Barry Barish và Kip Thorne từ ĐH California với nghiên cứu chấn động về sóng hấp dẫn, qua đó chứng minh lý thuyết 100 năm của Einstein là đúng sự thật. "Việc quan sát được sóng hấp dẫn thực sự là một cột mốc đáng nhớ, mở toang một khung cửa sổ giúp con người nhìn vào vũ trụ"- giáo sư Olga Botner từ Viện Hàn Lâm khoa học Hoàng gia Thụy Điển nói khi công bố giải thưởng. 

     Theo thuyết Tương đối rộng của Einstein, bất kỳ vật thể nào có khối lượng đều sẽ tạo ra sóng hấp dẫn khi nó dịch chuyển. Chỉ có điều dao động của sóng hấp dẫn là cực bé, chỉ bằng một phần nhỏ bán kính của nguyên tử. Việc đo lường được xung động nhỏ đến vậy, dưới sự "bao vây" của muôn vàn nhiễu động là được xem là điều không tưởng. Đây chính là lí do khiến chính Einstein, cho rằng loài người sẽ không thể quan sát được sóng hấp dẫn.

     Mặc dù vậy, trong vòng 100 năm qua, các nhà khoa học vẫn luôn hy vọng tìm thấy sóng hấp dẫn khi chúng được tạo nên từ những hiện tượng “cực đoan” như sự sát nhập của các hố đen hoặc sự va chạm của các ngôi sao khổng lồ. 

     I. Lược sử hành trình nghiên cứu và phát hiện sóng hấp dẫn

     • Trước năm 1905, cả thế giới coi quan điểm của Newton về không - thời gian là kim chỉ nam trong rất nhiều thế kỷ. Newton cho rằng không gian là một đại lượng tuyệt đối, không thay đổi. Thời gian cũng vậy - một dòng chảy vĩnh cửu, đều đặn và bất biến.

     • 1905, Lý thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein xuất hiện. Khi ấy, khoa học tiếp cận một chân trời khác, nơi không - thời gian chỉ là một đại lượng tương đối, hoà hợp với nhau thành một thực thể, và có thể bị thay đổi, phụ thuộc vào chuyển động của vật chất. 

     • 1915 - Albert Einstein công bố Thuyết Tương đối rộng trong đó nhận định lực hấp dẫn là sự vây bọc không – thời gian bằng vật chất hoặc năng lượng.

     • 1916 - Einstein tiên đoán rằng các vật thể khi xoay tròn theo những cách nhất định có thể gây ra các gợn sóng không – thời gian, gọi là sóng hấp dẫn.

     • 1962 – Các nhà vật lý người Nga M. E. Gertsenshtein và V. I. Pustovoit công bố nghiên cứu của họ với bản phác thảo phương thức quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế.

     • 1969 - Physicist Joseph Weber khẳng định có thể quan trắc được sóng hấp dẫn bằng một ống nhôm khổng lồ - nhưng các nỗ lực thử nghiệm theo mô hình này đều thất bại 

     • 1972 - Rainer Weiss của Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đề xuất một phương án độc lập khác nhằm quan trắc sóng hấp dẫn.

     • 1974–1978 - Các nhà thiên văn Joseph H. Taylor Jr. và Russell A. Hulse ở Đại học Massachusetts khám phá ra sao xung (pulsar) quay quanh một sao neutron dường như bị chậm lại do phát xạ hấp dẫn – từ đó cung cấp bằng chứng cho sự tồn tại của sóng hấp dẫn; vì sự phát hiện này mà vào năm 1993 hai ông được Giải Nobel Vật lý. 

     • 1979 – Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) của Mỹ cấp kinh phí cho Học viện Công nghệ California ở Pasadena và MIT xây dựng thiết kế LIGO. (LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Đài Quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế laser. Hiện nay dự án LIGO có hơn 1000 thành viên tới từ 83 tổ chức và 15 quốc gia).

     • 1990 - NSF đồng ý tài trợ 250 triệu USD cho thí nghiệm LIGO 1992 – Các địa điểm ở bang Washington và Louisiana cách nhau 3000 km được chọn để phục vụ cho dự án LIGO; các công trình được khởi công 2 năm sau

     • 1995 – Khởi công xây dựng cơ sở quan trắc sóng hấp dẫn GEO600 ở Đức, đối tác của LIGO; cơ sở này bắt đầu thu thập dữ liệu từ 2002

     • 1996 – Khởi công xây dựng cơ sở quan trắc sóng hấp dẫn VIRGO ở Italy; từ 2007 bắt đầu thu thập dữ liệu

     • 2002–2010 – Các cuộc vận hành ban đầu của dự án LIGO - chưa tìm thấy sóng hấp dẫn

     • 2007 – Các nhóm nghiên cứu ở LIGO và VIRGO đồng ý chia sẻ dữ liệu, hình thành một mạng lưới toàn cầu duy nhất về quan trắc sóng hấp dẫn 

     • 2010–2015 – 205 triệu USD được chi để nâng cấp các thiết bị quan trắc của LIGO 

     • 2015 - Ngày 14 tháng 9 cả 2 LIGO sau khi được nâng cấp đều bắt được tín hiệu trực tiếp đầu tiên của sóng hấp dẫn 

     • 2016 - Ngày 11 tháng 2, các nhà khoa học chính thức công bố đã quan trắc thành công sóng hấp dẫn.

     Khi nhận giải Nobel Vật lý 2017 Giáo sư Rainer Weiss đã chia sẻ "Tôi xem giải thưởng này là công sức của hàng ngàn người. Đó là công trình kéo dài đến 40 năm để suy nghĩ, tìm cách xác định, và từng bước kết hợp công nghệ để tìm ra nó" 

     II. Những lần các đài quan trắc xác nhận trực tiếp thu được sóng hấp dẫn

     • Lần thứ nhất (14/09/2015): Hai hệ thống LIGO tại Livingston, Louisiana và Hanford, Washington lần đầu tiên đã thu được trực tiếp tín hiệu sóng hấp dẫn từ kết quả hai lỗ đen sáp nhập cách đây 1,3 tỉ năm về trước nhưng sự xung động không - thời gian bây giờ mới truyền đến chúng ta vào ngày 14 tháng 9 năm 2015.

     Sự kiện này đến quá bất ngờ, đến mức các nhà khoa học LIGO không dám tin đó là sự thật. Phải đến 5 tháng sau, sau khi phân tích thật kỹ càng và chắc chắn rằng tín hiệu mình quan sát được là sóng hấp dẫn. Phát hiện này đã được thông báo trong cuộc họp báo tổ chức ngày 11 tháng 2 năm 2016 bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF). Các nhà khoa học ở LIGO, cùng với các nhà khoa học ở Châu Âu được gọi là Virgo Collaboration đã công bố nghiên cứu này trên Physical Review Letters với hơn 1.000 tác giả.

     Videoclip có phụ đề tiếng Việt, giới thiệu trong 3 phút "Hành trình của Sóng hấp dẫn" (https://www.youtube.com/watch?v=IM_XJA_u4sE).

     • Lần thứ hai (26/12/2016):  Vào lúc 3:38 UTC, cả hai Đài Quan sát Sóng hấp dẫn sử dụng Giao thoa kế Laser (LIGO), đặt ở Livingston (Louisiana) và ở Hanford (Washington) đã xác định được gợn sóng vô cùng mờ nhạt cuối cùng chạm đến Trái Đất được hình thành bởi hai lỗ đen sát nhập ở vận tốc bằng nửa vận tốc ánh sáng, cách chúng ta khoảng 1.4 tỷ năm. 

     • Lần thứ ba (4/1/2017): Trong bài báo công bố trên tạp chí “Physical Review Letters” của Hội Vật lý Mỹ, các nhà khoa học đã mô tả kết quả phân tích các tín hiệu sóng hấp dẫn ghi nhận được trong ngày 4/1/2017 tại Đài quan trắc LIGO đặt tại Washington (Mỹ). Sóng hấp dẫn được hình thành bởi vụ va chạm 2 lỗ đen khối lượng bằng 31 và 19 lần khối lượng mặt trời cách trái đất 3 tỷ năm trước. Kết quả của vụ va chạm này là sự hình thành một lỗ đen mới với khối lượng gần bằng 49 lần khối lượng mặt trời của chúng ta. Phần vật chất còn lại đã biến đổi thành năng lượng sóng hấp dẫn.

     • Lần thứ tư (14/08/2017): Các nhà khoa học tuyên bố lần thứ 4 họ đo được sóng hấp dẫn sau khi hai hố đen khổng lồ với khối lượng lần lượt lớn gấp 30,5 và 25,3 lần so với Mặt trời sáp nhập ở địa điểm trong vũ trụ cách Trái Đất 1,8 tỷ năm ánh sáng.

     Sự kiện lần này được phát hiện đồng thời bởi ba đài quan sát sóng hấp dẫn, 2 đài LIGO tại Mỹ và đài VIRGO tại Ý, qua đó nâng khả năng xác định vị trí chuẩn xác cao hơn gấp 10 lần. Khám phá này đã được báo cáo trong tạp chí Physical Review Letters và Iflscience hôm 28/9/2017.

     • Lần thứ năm (16/10/2017): Lần đầu tiên trong lịch sử, giới khoa học trên toàn thế giới đã đồng thời thu được hình ảnh về một vụ va chạm giữa 2 ngôi sao neutron cách chúng ta 130 triệu năm ánh sáng và sóng hấp dẫn phát ra từ đó.

     Lưu ý rằng bốn đợt sóng hấp dẫn đầu tiên được xác nhận chính là đến từ sự kiện 2 hố đen vũ trụ kết hợp với nhau thành 1, nên chúng ta chỉ nghe được mà không thể thấy được sự kiện đó vì hố đen đã hút hết ánh sáng - tức là về cơ bản, chúng vô hình. 

     Lần này thì khác. Sao neutron là vật thể phát ra ánh sáng, thế nên rõ ràng vụ va chạm giữa 2 ngôi sao như vậy có thể dễ dàng quan sát. Và để bắt được khoảnh khắc lần này, có tới 70 đài quan sát trên toàn thế giới đã hợp tác cùng 2 dự án LIGO và VIRGO.

     Cặp sao neutron này xoay quanh nhau ở khoảng cách 300km, xoắn vặn khoảng không-thời gian xung quanh, tạo ra các đợt sóng dao động tỏa đi khắp vũ trụ. Vụ va chạm tạo ra những luồng gamma cực kỳ dữ đội. Trong thời gian tới, các chuyên gia sẽ tiếp tục bám sát vụ va chạm này, và tìm hiểu thêm về cái gọi là "kilonova". Đó là trạng thái vật chất còn sót lại sau vụ va chạm. Chúng vẫn tiếp tục phát sáng, và dần tan biến vào vũ trụ.

     Nghiên cứu lần này được chính thức công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

     "Trong nhiều thập kỷ, khoa học đã nghi ngờ những vụ nổ tia gamma như vậy là do sao neutron tạo ra. Nhưng nay, nhờ những dữ liệu khó tin từ LIGO và VIRGO, chúng ta đã có câu trả lời thực sự" - Julie McEnery, nhà khoa học từ dự án Fermi của NASA hào hứng chia sẻ.

     "Sóng hấp dẫn đã cho chúng ta biết vật thể va chạm có khối lượng tương đồng với một ngôi sao neutron, và đó không phải là hố đen, vì tia gamma phát ra quá dữ dội".

     Thêm một lần nữa, sự kiện này tiếp tục chứng minh Einstein đã đúng.

     "Nó cho thấy tốc độ lan truyền sóng hấp dẫn tương đương với tốc độ ánh sáng, hoặc chỉ thấp hơn 1 phần ngàn tỉ - tức là một lần nữa xác nhận tiên đoán của Einstein từ năm 1915" - Andrew Melatos từ ĐH Melbourne cho biết.

     III. LIGO tìm ra sóng hấp dẫn như thế nào

     Mỗi máy dò gồm hai thanh ghép vuông góc thành hình chữ L, mỗi thanh dài 4 km, đặt trong ống chân không tuyệt đối. Tia laser chiếu từ đầu nọ tới đầu kia được phản chiếu nhiều lần nhờ các tấm gương gắn ở hai đầu mỗi thanh. 

     • Nếu không có sóng hấp dẫn, hai tia laser sẽ đi từ đầu này tới đầu kia mỗi thanh trong khoảng thời gian bằng nhau, do đường đi giống nhau, sẽ tự triệt tiêu do ngược pha. Nhưng nếu có sự hiện diện sóng hấp dẫn, hai cánh tay sẽ bị nén giãn nên chiều dài của chúng khác nhau. 

     • -Nếu sóng hấp dẫn truyền qua, không gian bị GIÃN một chút theo một chiều và CO NGẮN  một chút theo chiều vuông góc với nó. Kết quả là hai thanh sẽ có độ dài khác nhau. Các tia laser khi đó sẽ bị lệch pha, và tạo ra những tín hiệu có thể đo đạc được.

     Tuy nhiên, bản chất tín hiệu và sự co giãn này là rất nhỏ, cực dễ bị các rung động xung quanh gây ảnh hưởng. Chính vì thế, các chuyên gia đã thiết kế 2 trạm LIGO giống hệt nhau, nhưng đặt ở hai điểm cách nhau hàng ngàn kilomet. Khi cả hai trạm đều cho ra những tín hiệu tương tự, thì rõ ràng đó là bằng chứng không thể chối cãi của sóng hấp dẫn. 

     Ngoài ra LIGO còn các hệ thống phụ trợ như triệt tiêu xung động địa chấn, hút chân không để loại bỏ ảnh hưởng của bụi trên đường đi laser, đảm bảo máy dò sẽ chỉ thu được sóng hấp dẫn nếu có; cùng với các thiết bị để thu thập và xử lý, tính toán dữ liệu.

     Tính đến thời điểm hiện tại, đã có 5 lần sóng hấp dẫn được xác nhận..

     IV. Khám phá sóng hấp dẫn có thể mở đường giải đáp các câu hỏi lớn về vũ trụ

     Tạp chí Nature mới đây đăng bài viết của tác giả Davide Castelvecchi nhận định rằng công bố về bằng chứng cho sóng hấp dẫn đưa ra bởi Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO) không chỉ giúp xác minh cho tiên đoán của Einstein cách đây đúng 100 năm mà còn mở ra một ngành thiên văn mới (Mấy trăm năm nay, mọi phát hiện về thiên văn học đều chủ yếu dựa vào các biện pháp “nhìn”. Giờ đây, phát hiện sóng hấp dẫn sẽ giúp các nhà khoa học quan trắc vũ trụ từ một góc độ hoàn toàn khác – đó là “nghe”. Sóng hấp dẫn trở thành một cửa sổ mới để kiểm nghiệm thuyết tương đối của Einstein, quan trắc khối lượng của hố đen, đo cự ly vũ trụ. Đây là lần đầu tiên vũ trụ ‘nói chuyện’ với chúng ta thông qua sóng hấp dẫn): thiên văn sóng hấp dẫn, với triển vọng giải quyết sáu câu hỏi lớn về vũ trụ.

     1/ Lỗ đen có thực sự tồn tại không? Một trong những ý nghĩa khoa học quan trọng từ khám phá của LIGO về sự hợp nhất hai lỗ đen, đơn giản chính là đã xác minh lỗ đen thực sự tồn tại. Các nhà thiên văn trước đây chưa từng trực tiếp thấy hố đen, dù đã có nhiều bằng chứng gián tiếp về nó thông qua các quan sát về các vì sao, các đám khí siêu nóng xoay quanh hố đen. Giới khoa học vẫn coi sự tồn tại của hố đen như một mặc định, như nhận xét của Frans Pretorius, một chuyên gia về mô phỏng thuyết tương đối rộng từ Đại học Princeton, trả lời Nature trước thềm công bố của LIGO. “Bởi nó là một tiên đoán kỳ vĩ, nên chúng ta đòi hỏi phải có bằng chứng kỳ vĩ tương xứng.”Những tín hiệu mà LIGO thu được chính là bằng chứng như vậy. Nó cũng xác nhận quy trình hòa nhập giữa hai hố đen đúng như dự đoán. Đó là khi hai hố đen xoay quanh nhau, tỏa ra năng lượng là sóng hấp dẫn. LIGO đã quan trắc được những âm thanh đặc thù của các sóng này, qua đó cho phép các nhà khoa học đo lường khối lượng của hai lỗ đen.

     2/ Sóng hấp dẫn liệu có di chuyển với tốc độ ánh sáng? Các nhà vật lý dự đoán rằng lực hấp dẫn được truyền bằng các hạt gọi là graviton. Nếu graviton cũng giống như photon là các hạt không có khối lượng, thì sóng hấp dẫn sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng, đúng với dự đoán về tốc độ sóng hấp dẫn mà Einstein đưa ra theo Do đó, nếu LIGO quan trắc thấy sóng hấp dẫn từ một sự kiện vũ trụ nào đó lan tới Trái đất tại một thời điểm chậm hơn so với thời điểm một kính thiên văn thông thường nhận thấy các tia γ của cùng sự kiện đó, thì có nghĩa là tốc độ sóng hấp dẫn thấp hơn tốc độ ánh sáng, và điều ấy sẽ cung cấp một thông tin hết sức quan trọng đối với vật lý cơ bản.

     3/ Không – thời gian được tạo thành bởi các dây vũ trụ?  Sẽ là một khám phá thậm chí còn kỳ dị hơn nữa nếu qua LIGO người ta quan sát thấy một chùm sóng hấp dẫn từ các ‘dây vũ trụ’. Các nhà vật lý phỏng đoán dây vũ trụ là một dạng khiếm khuyết topo trên đường cong không – thời gian, vô cùng mỏng nhưng trải suốt không gian vũ trụ, và khi sợi dây đó rung động sẽ tạo ra những chùm sóng hấp dẫn mà LIGO có thể đo được.

     4/ Bề mặt các sao neutron liệu có gồ ghề? Các sao neutron là cái còn sót lại sau khi các sao lớn hơn bị sụp đổ bởi chính khối lượng của chúng và trở nên đặc tới mức các hạt electron và proton bị ép hòa vào nhau trở thành neutron. Mặc dù lý thuyết này đến nay vẫn còn chưa hoàn thiện, nhưng sóng hấp dẫn sẽ đem lại những hiểu biết quan trọng đột phá. Ví dụ, việc phát ra  sóng hấp dẫn chứng tỏ các sao neutron không phải là một hình cầu hoàn hảo, điều đó khiến cho sao neutron (với đường kính khoảng 10 km) bị lệch tâm một chút xíu, mà với tốc độ quay rất nhanh thì sự bất cân xứng rất nhỏ ấy đủ để tạo ra các tín hiệu sóng hấp dẫn có trắc đồ hình sin, tỏa ra năng lượng và làm giảm tốc độ quay của sao. Các cặp sao neutron xoay quanh nhau cũng sẽ tạo ra một dạng tín hiệu liên tục, và tương tự như hai hố đen chúng cũng tiếp cận nhau cho tới khi nhập lại, tạo thành một âm thanh có thể nghe thấy được. Nhưng khác với các hố đen, các sao neutron khi hòa vào nhau dẫn tới rất nhiều kịch bản khác nhau, có thể tạo thành một sao neutron khổng lồ, cũng có thể là một vụ sụp đổ tức thời và trở thành hố đen.

     5/ Nguyên nhân nào khiến các vì sao bị nổ? Hố đen và sao neutron hình thành khi các vì sao khổng lồ tắt sáng và tự sụp đổ. Các nhà vật lý thiên văn cho rằng điều này gây ra một loại nổ sao siêu mới supernova (sao siêu mới-sao siêu tân tinh) phổ biến. Các mô phỏng về supernova chưa giúp lý giải rõ ràng yếu tố nào kích hoạt ra chúng, nhưng việc lắng nghe các chùm sóng hấp dẫn từ các supernova có thể mang đến câu trả lời. Tùy thuộc vào dữ liệu về hình dạng sóng của các chùm sóng hấp dẫn, mức độ âm thanh, mật độ của chúng, và tính tương liên giữa chúng với bản thân các supernova như qua quan sát từ các kính thiên văn điện từ, sẽ giúp củng cố hoặc bác bỏ các mô hình lý thuyết hiện hành.

     6/ Vũ trụ giãn nở với tốc độ nào? Sự giãn nở của Vũ trụ khiến các đối tượng đang lùi xa khỏi Thiên hà của chúng ta nom đỏ hơn diện mạo thực của chúng, do ánh sáng mà chúng tỏa ra bị kéo dãn trong khi di chuyển. Các nhà nghiên cứu vũ trụ ước tính tốc độ giãn nở của Vũ trụ bằng cách xem xét đối chiếu giữa tông màu đỏ của các thiên hà mà chúng ta quan sát được với khoảng cách giữa chúng tới Trái đất. 

     Tuy nhiên, thay vì dựa vào kỹ thuật có sai số khá lớn này, người ta có thể sử dụng một số trạm quan trắc sóng vũ trụ ở vài địa điểm khác nhau trên thế giới để đo các tín hiệu từ cùng một vụ sát nhập sao neutron, qua đó đo được âm thanh tín hiệu để cung cấp một chỉ số độc lập để ước tính độ giãn nở vũ trụ với độ chính xác cao hơn.

Vĩnh Hào

Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang

     Tài liệu tham khảo:

     • GS.TSKH Nguyễn Xuân Hãn, Phát hiện sóng hấp dẫn-một khám phá lịch sử của nhân loại, trình bầy tại Trường ĐHKHTự Nhiên Hà Nội, ngày 14.3.2016.

     • Trung tâm Thông tin - Tư liệu Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, Bản tin KHCN số Tháng 3-2016:

     • Sóng hấp dẫn, Bách khoa toàn thư mở Wikipedia.

     • Một số Website trích từ các nguồn: NASA, NSF, Business Insider, IFL Science.

 

   

   

   

   

   

   

   

 Lượt truy cập
   
 Tìm kiếm

   
 Liên kết web

   
 Trao đổi trực tuyến
Quản trị website
Kế toán
Tư vấn viên
   
 Thông tin quảng cáo
Hội Tin Học Khánh Hòa
Ủy Ban Nhân Dân Tỉnh Khánh Hòa
Công Báo Khánh Hòa
Văn phòng HĐND và UBND thành phố Nha Trang
Hội Nghề Cá Khánh Hòa
   

LIÊN HIỆP CÁC HỘI KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT TỈNH KHÁNH HÒA
Địa chỉ: 80 Hoàng Văn Thụ, Nha Trang, Khánh Hòa
Điện thoại: 058.3811158 Fax: 058.3811158
Email: lienhiephoi.khktkh@gmail.com
Người chịu trách nhiệm nội dung: Lê Trung Hưng