Các nhà thiên văn làm việc trong nhóm BICEP2 đã sóng hấp dẫn nguyên thủy phát sinh lúc Big Bang khai sinh ra vũ trụ của chúng ta hồi 13,8 tỉ năm trước. Khám phá đó mang tính bước ngoặt trong lịch sử khoa học, nhưng các khái niệm liên quan lại không hề quen thuộc đối với nhiều người. Một số câu hỏi đáp dưới đây sẽ giúp bạn hiểu thêm phần nào vấn đề đang nổi sóng này.
Khám phá BICEP2 có ý nghĩa gì?
Các nhà khoa học sẽ làm sáng tỏ dần các hệ quả của khám phá này trong những năm sắp tới. Nhưng một số hàm ý chính đã khá rõ ràng:
Albert Einstein đã dự đoán “sóng hấp dẫn” hồi gần 100 năm trước, nhưng ông cũng tính được rằng chúng sẽ cực kì yếu, yếu đến mức ông nghĩ rằng chúng sẽ không bao giờ được dò tìm ra. Các kết quả BICEP2 là bằng chứng có sức thuyết phục nhất rằng sóng hấp dẫn thật sự tồn tại.
Sóng hấp dẫn là sự xác nhận của một lí thuyết trụ cột của bức tranh vũ trụ học hiện nay. Lí thuyết này, gọi là lí thuyết lạm phát, phát biểu rằng trong những thời khắc tồn tại đầu tiên của nó, Vũ trụ đã trải qua một giai đoạn ngắn dãn nở theo hàm số mũ.
Trong giai đoạn lạm phát, nhiệt độ của Vũ trụ – và do đó, năng lượng đạt tới bởi các hạt sơ cấp – cao hơn gấp hàng nghìn tỉ lần nhiệt độ có thể thu được trong phòng thí nghiệm ngày nay, kể cả trong các máy va chạm hạt như Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN, gần Geneva, Thụy Sĩ.
Vì lạm phát là một hiện tượng lượng tử và sóng hấp dẫn là bộ phận thuộc vật lí cổ điển, nên sóng hấp dẫn xác lập một liên hệ giữa hai lí thuyết, và có thể là bằng chứng đầu tiên rằng lực hấp dẫn có bản chất lượng tử giống hệt như các lực còn lại của tự nhiên.
Sóng hấp dẫn lan truyền trong không gian (Ảnh: Henze/NASA)
Sóng hấp dẫn là gì?
Theo lí thuyết tương đối rộng Einstein, lực hấp dẫn là cách thức khối lượng làm biến đổi hình dạng của không gian: ở gần các vật thể khối lượng lớn, cấu trúc của không gian trở nên bị cong. Nhưng sự cong này không phải luôn luôn ở gần vật thể khối lượng lớn đó. Đặc biệt, Einstein nhận ra rằng sự biến dạng đó có thể truyền đi trong Vũ trụ, giống hệt như sóng địa chấn lan truyền trong lớp vỏ Trái đất. Tuy nhiên, không giống như sóng địa chấn, sóng hấp dẫn có thể lan truyền trong không gian trống rỗng – và chúng truyền đi ở tốc độ ánh sáng.
Nếu bạn có thể nhìn thấy một sóng hấp dẫn trực diện khi nó tiến về phía bạn, bạn sẽ thấy nó luân phiên co dãn không gian, theo chiều trên-dưới và trái-phải.
Lạm phát có phải là nguyên nhân duy nhất có thể tạo ra sóng hấp dẫn không?
Không. Bất cứ cái gì khối lượng lớn và đang trải qua sự gia tốc dữ dội đều tạo ra sóng hấp dẫn. Trong thực tế, những sóng hấp dẫn chúng ta có thể đo trực tiếp sẽ chỉ là những sóng phát sinh từ những sự kiện khốc liệt ví dụ như hai lỗ đen va chạm và hợp lại làm một. Một vài quan trắc trên thế giới đang cố gắng thu nhặt tiếng nhiễu xa xôi của những sự kiện hợp nhất lỗ đen như thế.
Tại sao không thể đo sóng hấp dẫn trực tiếp, mà chỉ phát hiện được thông qua kính thiên văn?
Sóng hấp dẫn phát sinh trong giai đoạn lạm phát vũ trụ vẫn đang cộng hưởng trong khắp Vũ trụ. Nhưng có lẽ chúng quá yếu để có thể đo trực tiếp. Thay vậy, các nhà khoa học tìm kiếm vết tích của chúng để lại trong nồi súp hạt sơ cấp tỏa khắp Vũ trụ lúc khoảng 380.000 năm sau Big Bang, cái chúng ta nhìn thấy qua “phông nền vi sóng vũ trụ”. Các quan trắc bức xạ nền vi sóng được thực hiện bằng các kính thiên văn dò tìm sóng vô tuyến, và vì thế các “gợn lăn tăn” trong phông nền đó do sóng hấp dẫn gây ra chỉ có thể phát hiện ra bởi kính thiên văn vô tuyến.
Tại sao khám phá được thực hiện tại Nam Cực?
Trạm Nam Cực Amundsen–Scott, nơi chứa thí nghiệm BICEP2, nằm trên thềm băng Nam Cực ở độ cao hơn 2800 m so với mực nước biển, vì thế khí quyển khá mỏng. Không khí rất khô ở đó cũng là lợi thế bởi vì hơi nước hấp thụ mất vi sóng. Và Nam Cực cũng hầu như không có cư dân sinh sống, cho nên không có tín hiệu nhiễu bởi điện thoại di động, vô tuyến truyền hình và các kênh thông tin điện tử khác của chúng ta.
Nguồn: Nature doi:10.1038/nature.2014.14886
