Các nhà khoa học vừa tuyên bố họ đã chứng minh được sự tồn tại của sóng hấp dẫn - những gợn sóng trong không gian - thời gian xuất phát từ sự di chuyển của vật thể trong khắp vũ trụ. Nếu điều này đúng, đây là lần đầu tiên sóng hấp dẫn được đo lường một cách trực tiếp, đánh dấu một trong những khám phá khoa học lớn nhất trong nhiều thập kỷ. Sóng hấp dẫn được phát hiện mở ra một kỷ nguyên mới của vật lý, đồng thời xác nhận tiên đoán từ 100 năm trước của Albert Einstein hoàn toàn đúng.
Khám phá nói trên được thực hiện bởi một nhóm nhiều nhà nghiên cứu, họ là những người đã tạo nên Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng Laser giao thoa (LIGO). LIGO thu được tín hiệu sóng vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, đến từ sự sáp nhập của hai lỗ đen xa xôi cách đây 1,3 tỷ năm. 2 lỗ đen này đã xoay quanh nhau nhiều vòng mỗi giây, trước khi sáp nhập xảy ra và dẫn đến một vụ nổ lớn - quá trình tạo ra sóng hấp dẫn rất lớn. Tuy nhiên, những gợn sóng này sẽ mất dần trên đường đến Trái đất, đòi hỏi phải có sự hỗ trợ của những thiết bị tân tiến nhất mới có thể nhận thấy. Mặc dù kết quả quan sát của LIGO tạo nên một bước đột phá, các nhà khoa học khác cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng dữ liệu để đảm bảo tính chính xác của nó. Sẽ có rất nhiều nghiên cứu khác đến từ cộng đồng khoa học ra đời trong tuần tới, thậm chí là vài tháng tới, xoay quanh kết quả này.
Sóng hấp dẫn đã được tiên đoán bởi nhà vật lý thiên tài Albert Einstein vào năm 1918, được biết đến như một phần của thuyết tương đối rộng. Việc tìm thấy sóng hấp dẫn sẽ xác nhận điều mà Einstein dự báo là đúng, đồng thời tạo đà để hướng tới một phương pháp mới trong quá trình quan sát vũ trụ. Lỗ đen và sao neutron là những thứ quá mờ để có thể nhìn thấy bởi kính thiên văn hiện đại, nhưng điều các nhà nghiên cứu có thể làm là đo đạc sóng hấp dẫn mà nó tạo ra. Từ đó, giúp giới khoa học nắm bắt được thêm nhiều thông tin về cách các vật thể điều khiển trọng lực, thậm chí còn có thể dẫn đến việc khám phá ra những hành tinh mới và những khái niệm mà loài người chưa bao giờ nghĩ đến. “Chúng tôi không đơn giản chỉ đang chứng minh một giả thuyết”, Ira Thorpe - nhà thiên văn của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA), người không làm việc tại LIGO cho biết. "Phần quan trọng thực sự của việc này là nó mang lại cho chúng ta một công cụ hoàn toàn mới trong việc tìm hiểu vũ trụ”.
Âm thanh của sóng hấp dẫn
Khám phá nói trên được thực hiện bởi một nhóm nhiều nhà nghiên cứu, họ là những người đã tạo nên Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng Laser giao thoa (LIGO). LIGO thu được tín hiệu sóng vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, đến từ sự sáp nhập của hai lỗ đen xa xôi cách đây 1,3 tỷ năm. 2 lỗ đen này đã xoay quanh nhau nhiều vòng mỗi giây, trước khi sáp nhập xảy ra và dẫn đến một vụ nổ lớn - quá trình tạo ra sóng hấp dẫn rất lớn. Tuy nhiên, những gợn sóng này sẽ mất dần trên đường đến Trái đất, đòi hỏi phải có sự hỗ trợ của những thiết bị tân tiến nhất mới có thể nhận thấy. Mặc dù kết quả quan sát của LIGO tạo nên một bước đột phá, các nhà khoa học khác cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng dữ liệu để đảm bảo tính chính xác của nó. Sẽ có rất nhiều nghiên cứu khác đến từ cộng đồng khoa học ra đời trong tuần tới, thậm chí là vài tháng tới, xoay quanh kết quả này.
Mô phỏng sự sáp nhập của 2 lỗ đen
Sóng hấp dẫn đã được tiên đoán bởi nhà vật lý thiên tài Albert Einstein vào năm 1918, được biết đến như một phần của thuyết tương đối rộng. Việc tìm thấy sóng hấp dẫn sẽ xác nhận điều mà Einstein dự báo là đúng, đồng thời tạo đà để hướng tới một phương pháp mới trong quá trình quan sát vũ trụ. Lỗ đen và sao neutron là những thứ quá mờ để có thể nhìn thấy bởi kính thiên văn hiện đại, nhưng điều các nhà nghiên cứu có thể làm là đo đạc sóng hấp dẫn mà nó tạo ra. Từ đó, giúp giới khoa học nắm bắt được thêm nhiều thông tin về cách các vật thể điều khiển trọng lực, thậm chí còn có thể dẫn đến việc khám phá ra những hành tinh mới và những khái niệm mà loài người chưa bao giờ nghĩ đến. “Chúng tôi không đơn giản chỉ đang chứng minh một giả thuyết”, Ira Thorpe - nhà thiên văn của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA), người không làm việc tại LIGO cho biết. "Phần quan trọng thực sự của việc này là nó mang lại cho chúng ta một công cụ hoàn toàn mới trong việc tìm hiểu vũ trụ”.
Và đơn nhiên, điều mà Thorpe nói chỉ có giá trị nếu tuyên bố hôm nay hoàn toàn chính xác. Chúng ta có quyền lo lắng vì trước đây, các nhà khoa học đã không ít lần nhầm lẫn về việc phát hiện sóng hấp dẫn. Vào những năm 1960, nhà vật lý người Mỹ Joseph Weber tuyên bố ông đã tìm ra sóng hấp dẫn, nhưng những phát hiện của ông sau đó dần bị từ chối vì không ai có thể ghi nhận điều đó. Năm 2014, một nhóm nghiên cứu sử dụng kính thiên văn BICEP2 gần Nam Cực cho biết họ đã có bằng chứng cho sự tồn tại của những con sóng bằng cách nghiên cứu vũ trụ; tuy nhiên, thứ mà họ thu được hóa ra lại xuất phát từ bụi vũ trụ. Các công cụ mà LIGO sử dụng rất dễ bị can thiệp từ tác động bên ngoài (bị nhiễu), nghĩa là kết quả ngày hôm nay có thể bị ảnh hưởng bởi các quá trình giao thoa được tạo ra trên Trái Đất.
Dù tuyên bố trên có đúng - sai thế nào đi chăng nữa, hôm nay vẫn là một ngày rất đáng nhớ đối với khoa học. “Thưa quý vị, chúng tôi đã phát hiện ra sóng hấp dẫn. Chúng tôi đã làm được điều đó”, David Reitze - giám đốc điều hành LIGO, cho biết tại cuộc họp báo công bố sự việc. Tuyên bố của ông đã được nhận được một tràn vỗ tay lớn của các nhà khoa học và báo chí tham dự. “Những điều chúng ta đã phỏng đoán và suy đoán sẽ trở thành đề tài nghiên cứu chi tiết”, Marc Kamionkowski - nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Johns Hopkins (Mỹ), nhấn mạnh. “Đó là điều tuyệt vời nhất mà họ đã tìm thấy”.
Sóng hấp dẫn là gì?
Thuyết tương đối rộng của Einstein đã hoàn toàn thay đổi cách chúng ta nhận thức vũ trụ. Ban đầu, các nhà khoa học nghĩ rằng không gian và thời gian là hai khái niệm cố định và độc lập. Nhưng lý thuyết của Einstein đã kết hợp không gian và thời gian với nhau thành một mô hình bốn chiều gọi là không - thời gian. Và không gian - thời gian không hề cố định.
Video giải thích sóng hấp dẫn do The Verge thực hiện
Không những vậy, thuyết tương đối còn thay đổi hiểu biết của con người về lực hấp dẫn. Theo nhà vật lý Newton, tất cả các đối tượng trong vũ trụ này đều tương tác với nhau bởi lực hút. Thay vào đó, Einstein lại cho rằng các đối tượng thực chất đã làm cong không gian - thời gian xung quanh chúng, tạo ra lực hấp dẫn “kéo”. Hãy tưởng tượng, bạn thả một quả bóng vào một tắm vải lớn được căng ra. Quả bóng sẽ chuyển động xoay vòng trong tấm vải. Hành tinh và ngôi sao cũng như quả bóng nói trên và không gian - thời gian là tấm vải lớn. Bây giờ, hãy tưởng tượng đến việc bạn thả thêm một viên bi lên tấm vải nói trên, cùng với quả bóng lúc nãy. Viên bi sẽ đi theo các đường cong trong tấm chăn và đi về phía quả bóng. Trong trường hợp này, viên bị đại diện cho những vật thể nhỏ như các tiểu hành tinh khi tiến gần một hành tinh lớn hơn: chúng sẽ đi theo đường cong của không gian và thời gian tạo ra bởi hành tinh lớn.
Khi vật thể di chuyển trong vũ trụ, chúng cũng làm cong không gian - thời gian. Điều này tạo ra những gợn sóng và sóng đó được Einstein gọi là sóng hấp dẫn. Sự di chuyển của mọi đối tượng, từ một người cho đến một lỗ đen khổng lồ, đều tạo ra sóng hấp dẫn. Hầu hết thành viên trong cộng đồng khoa học tin rằng sóng hấp dẫn thật sự tồn tại, nhưng không ai có thể chứng minh điều đó. Nguyên nhân là do các tín hiệu từ sóng hấp dẫn thường cực kỳ yếu. “Khi chúng ta di chuyển, sóng hấp dẫn tạo ra rất yếu”, Kamionkowski nói. “Trái đất đi quanh Mặt Trời tạo ra một tín hiệu sóng hấp dẫn, nhưng nó vẫn còn rất rất yếu”. Tuy nhiên, những vật thể có khối lượng lớn hơn lại phát ra sóng hấp dẫn lớn hơn. Các đối tượng siêu dày đặc như lỗ đen hay sao neutron chuyển động với tốc độ nhanh có thể sản xuất sóng hấp dẫn đủ lớn để có thể đo được trên Trái đất. Và đó cũng là điều mà các nhà khoa học ở LIGO nhắm đến.
Quảng cáo
Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng Laser giao thoa (LIGO)
LIGO có hai đài quan sát, một đặt ở Louisiana và một ở bang Washington (Mỹ), cả hai được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ. Mỗi cơ sở có hình dáng như chữ “L” khổng lồ, và các ‘cánh tay’ của chữ “L” chính là hai ống chân không kéo dài gần 4 km, với những tấm gương ở mỗi đầu. Các tấm gương này được sử dụng để đo đạc quá trình sóng hấp dẫn làm cong không gian - thời gian. Khi sóng hấp dẫn đi qua, một trong những gương tiến gần hơn đến điểm giao nhau, trong khi tấm còn lại di chuyển xa ra; các nhà khoa học đo lường hiện tượng này bằng cách chuyển laser ra khỏi gương. Sự thay đổi thời gian mà laser cần để bật ra khỏi một tấm gương cho thấy tác động của sóng hấp dẫn, nhưng sự dịch chuyển của gương rất nhẹ nhàng, rất nhanh và rất khó để phát hiện.
Ảnh: LIGO.
Theo các nhà khoa học, chênh lệch của tấm gương so với vị trí cũ có thể chỉ bằng khoảng 1/10 nghìn kích thước của một proton. Điều này cho thấy Trái đất không phải là nơi lý tưởng để tìm kiếm sóng hấp dẫn. Mặc dù môi trường ở hành tinh của chúng ta rất dễ dẫn đến sự nhiễu trong việc tìm sóng hấp dẫn, LIGO đã rất cố gắng để khắc phục vấn đề. Họ đã cố tình tạo ra các tín hiệu giả để đảm bảo có thể phân biệt đâu là sóng hấp dẫn. Từng có thời điểm LIGO dường như đã sẵn sàng để công bố họ phát hiện ra sóng hấp dẫn, tuy nhiên sau đó họ nhận thấy dữ liệu của mình đã bị sai lệch.
Tiếp tục tiến về phía trước
Sóng hấp dẫn cung cấp cho các nhà khoa học một phương pháp để tìm thấy những đối tượng không phát ra ánh sáng, giúp họ nghiên cứu chuyên sâu hơn về chúng. “Khi kính viễn vọng vô tuyến đầu tiên được ra đời, chúng tôi đã tìm thấy tất cả các nguồn vô tuyến mạnh nhất mà chưa từng được biết”, Kamionkowski nói. “Chúng tôi đang nhận được đôi mắt mới để nhìn vào bầu trời”.
Quảng cáo
Mô phỏng quá trình dò sóng hấp dẫn trong không gian.
Trong cùng bối cảnh, nhà khoa học Ira Thorpe đã nhắc đến bên trên hiện cũng đang làm việc với sứ mệnh LISA Pathfinder - sự hợp tác giữa NASA và Cơ quan Vũ trụ châu Âu. Đó là dự án phóng tàu vũ trụ vào tháng 12 năm ngoái để thử nghiệm các công nghệ cần thiết cho thiết bị dò sóng hấp dẫn vũ trụ trong tương lai. Thorpe cho rằng bằng cách làm việc trong không gian, các nhiễu loạn liên quan đến Trái đất sẽ không còn là vấn đề cần phải bận tâm. Ngoài ra, một máy dò không gian sử dụng chùm tia laser dài hàng triệu dặm cũng được sử dụng để thu sóng hấp dẫn.
Mặc dù những công nghệ như vậy đã có sẵn trong hàng chục năm qua, nhưng đến thời điểm này chúng mới trở nên có ích hơn bao giờ hết. Thorpe nói phát hiện ngày hôm nay sẽ giúp thúc đẩy những nỗ lực của con người đối với sóng hấp dẫn, chẳng hạn như sứ mệnh LISA Pathfinder. “Sự thành công của một dự án như LIGO sẽ truyền cảm hứng cho chúng tôi để tiếp tục tiến về phía trước và không ngừng cố gắng”.
