Lần đầu tiên thuyết tương đối rộng Einstein.
Các sóng hấp dẫn trên được tạo ra từ sự va chạm của hai lỗ đen to gấp 36 và 29 lần khối lượng mặt trời, chúng hợp nhất lại thành một lỗ đen xoáy tít, gấp 62 lần khối lượng mặt trời, ở cách chúng ta 1,3 tỉ năm ánh sáng (410 mpc) trong một sự kiện được đặt tên là GW150914. Việc dò tìm được tiến hành hôm 14 tháng 9 năm ngoái và được đo trong khi các detector aLIGO mới nâng cấp – một ở Hanford, Washington, và một ở Livingston, Louisiana – đang được thẩm định trước đợt chạy quan sát đầu tiên bắt đầu bốn ngày sau đó.
Tín hiệu sóng hấp dẫn tồn tại ở cả hai giao thoa kế của LIGO trong 0,2 giây và được đo với độ tin cậy thống kê trên 5,1σ. Thật vậy, tín hiệu phát ra từ sự kiện mạnh đến mức có thể “nhìn thấy” trong dữ liệu bằng mắt. Nó được đo trong cả hai giao thoa kế của LIGO, với tín hiệu đến chênh lệch nhau bảy mili giây. Đây cũng là lần đầu tiên một hệ lỗ đen kép cỡ khối lượng-sao được phát hiện. Dữ liệu cũng cho thấy sóng hấp dẫn lan truyền ở tốc độ ánh sáng và lực hấp dẫn không có khối lượng, đúng như dự đoán của thuyết tương đối rộng.
“Hiệu ứng mà chúng tôi đang cố gắng đo nhỏ đến mức cần cái gì đó [đồ sộ] như là LIGO để đo,” phát biểu của David Reitze, giám đốc quản trị phòng thí nghiệm LIGO. “Thật khó tin nổi. Chúng tôi đã từng chẳng nghe thấy gì, nhưng nay chúng tôi có thể nghe chúng. Giờ chúng tôi nghe được những cái chúng tôi chưa bao giờ trông đợi là chúng tôi sẽ mở ra một cánh cửa mới cho ngành thiên văn học. Đây là một kì tích Mặt trăng, và chúng tôi đã làm được, chúng tôi đã đặt chân lên Mặt trăng.”
Hình minh họa hai lỗ đen đang hợp nhất. (Ảnh: NASA)
Các gợn sóng trong vũ trụ
Giống hệt như một hạt tích điện đang gia tốc tạo ra bức xạ điện từ, một khối lượng đang gia tốc tạo ra bức xạ hấp dẫn – năng lượng này bị thất thoát khỏi hệ ở dạng “sóng hấp dẫn”. Nhưng không giống như sóng điện từ lan truyền trong không-thời gian, sóng hấp dẫn thật ra làm nhấp nhô kết cấu của không-thời gian. Các sóng như thế lan đi từ nguồn của chúng theo mọi phương ở tốc độ ánh sáng, làm co dãn không-thời gian mà chúng lan qua.
Mọi khối lượng đang gia tốc sẽ tạo ra sóng hấp dẫn miễn là nó không có dạng đối xứng cầu hay đối xứng trụ, nghĩa là một ngôi sao dạng cầu hoàn hảo đang quay tròn sẽ không tạo ra sóng hấp dẫn. Kể từ khi Einstein công bố thuyết tương đối rộng hồi 100 năm trước, các nhà khoa học dự đoán các hệ sao đôi hay hệ lỗ đen sẽ là nguồn phát sóng hấp dẫn mạnh trong vũ trụ của chúng ta, nhưng các sóng ấy chưa từng được phát hiện trực tiếp, cho đến phép đo aLIGO hồi tháng 9 năm ngoái.
Nếu hai lỗ đen quay ổn định xung quanh nhau, thì chúng tạo ra một làn sóng hấp dẫn liên tục có tần số gấp hai lần tần số quỹ đạo, mang năng lượng quay và moment động lượng ra khỏi hệ. Các gợn sóng như thế được cho là có bước sóng vào cỡ hàng chục năm ánh sáng và tương đối yếu. Nhưng nếu khoảng cách ban đầu giữa hai lỗ đen là không lớn lắm, thì quỹ đạo sẽ thu hẹp dần vì hệ mất năng lượng quay và hai lỗ đen cuối cùng sẽ “xoắn vào nhau”.
Dạng sóng của sự kiện GW150914. (Ảnh: LIGO/Phys. Rev. Lett. 116 061102)
Chíp chíp và reng reng
Cặp đôi ban đầu càng ở gần nhau, thì càng có nhiều bức xạ phát ra khi hai lỗ đen cày xoắn vào nhau. Quá trình này tạo ra một dạng sóng “chíp chíp” đặc trưng trong đó cả biên độ lẫn tần số của sóng hấp dẫn đều tăng – thỉnh thoảng trong khoảng thời gian chưa tới một giây – cho đến khi đạt cực đại lúc hợp nhất. Được phát ra trong vài giây cuối của sự hợp nhất, các sóng hấp dẫn này là đặc trưng khối lượng và spin của lỗ đen sau cùng.
Lỗ đen được tạo ra bởi một sự hợp nhất khủng khiếp như thế ban đầu bị biến dạng nhiều. Tuy nhiên, lỗ đen mới sinh mất sự biến dạng của nó hầu như tức thời bởi sự reng reng giống như chuông điện thoại và tạo ra thêm sóng hấp dẫn. Hệ nhanh chóng mất năng lượng và độ lớn của sóng giảm theo hàm mũ để tạo ra một tín hiệu “đổ chuông”. Trong sự kiện GW150914, aLIGO phát hiện nốt đổ chuông chíp chíp và reng reng vào lúc cuối.
Vì lỗ đen sau cùng gấp 62 lần khối lượng mặt trời, nên điều này có nghĩa là lượng bức xạ hấp dẫn phát ra trong sự kiện bằng 3 lần khối lượng mặt trời. Tín hiệu cũng cho thấy lỗ đen mới sinh là một lỗ đen Kerr quay tròn (với tham số spin 0,67). Các nhà vũ trụ học đã mô phỏng một tín hiệu sóng hấp dẫn như thế dưới dạng âm thanh audio, dựa trên tần số của các sóng khi chúng đi tới các máy dò LIGO.
Hình minh họa thể tích vũ trụ mà các detector của LIGO nhạy được. (Ảnh: Caltech/ MIT/ LIGO Lab)
Độ dài thời gian mà một tín hiệu còn ở trong các giao thoa kế LIGO – và do đó, chất lượng dò sóng hấp dẫn – tăng khi giảm tần số thiết lập LIGO để đo và khối lượng của hệ đôi được nghiên cứu. Do đó, sóng hấp dẫn ở những tần số thấp hơn và phát ra từ những vật thể nhẹ hơn thì dễ phát hiện hơn. Trước đợt nâng cấp, LIGO có thể phát hiện các sóng hấp dẫn từ 40 đến 10.000 Hz, nhưng khi aLIGO hoàn thành, các giao thoa kế có khả năng phát hiện sóng hấp dẫn xuống đến tần số chỉ 10 Hz, nhờ đó mở rộng đáng kể phạm vi dò tìm của LIGO.
B S Sathyaprakash – một nhà vật lí tại Đại học Cardiff ở Anh và là thành viên của nhóm hợp tác LIGO – cho biết phòng thí nghiệm hiện đang hoạt động ở 30 Hz, tần số đó vẫn đủ để thu lượm tín hiệu ở cự li 410 mpc. Mặc dù ông thừa nhận rằng vật thể càng nặng thì thời gian tồn tại tín hiệu càng ngắn, nhưng bản thân tín hiệu đó thật sự mạnh. “Các vật thể lớn có biên độ lớn hơn, vì thế một tín hiệu [sóng hấp dẫn] phát ra từ một hệ đôi lỗ đen có thể phát hiện được từ cự li lớn hơn nhiều so với một tín hiệu giống như vậy phát ra từ một hệ sao neutron,” ông giải thích.
Cánh tay dài của LIGO
Sự phát hiện sóng hấp dẫn thành công của LIGO là nhờ thiết kế đơn giản mà khéo léo của nó. Hai đài thiên văn về cơ bản là các giao thoa kế Fabry–Pérot gồm hai cánh tay dài 4 km vuông góc với nhau, với “khối lượng thử” ở dạng các gương sơ cấp làm bằng silicon nguyên chất – mỗi gương cân nặng 40 kg và được treo như một con lắc – ở hai đầu của các cánh tay. Hai cánh tay giao thoa kế được giữ trong một chân không cực cao.
Lúc hoạt động, ánh sáng laser bước sóng 1064 nm và công suất 200 W được gửi đến một bộ tách chùm tia, cho truyền một nửa ánh sáng vào một trong hai cánh tay và làm phản xạ nửa còn lại xuống cánh tay kia. Vì mỗi cánh tay là một hộp cộng hưởng Fabry–Pérot, nên ánh sáng được phép phản xạ tới lui khoảng 400 lần trong mỗi cánh tay trước khi quay trở lại bộ tách chùm tia. Cách hoạt động này làm tăng độ dài cánh tay lên gần 1600 km, làm tăng độ nhạy của aLIGO.
Sau các lần phản xạ, ánh sáng từ mỗi cánh tay trở lại bộ tách chùm tia, tại đó hai chùm tia kết hợp lại. Một phần ánh sáng này một lần nữa truyền qua bộ tách chùm và được phát hiện tại quang detector (xem sơ đồ bên dưới).
Sơ đồ giao thoa kế aLIGO. (Ảnh: IOP)
Lướt sóng
Nếu ánh sáng truyền đi quãng đường chính xác bằng nhau xuống hai cánh tay, thì hai sóng ánh sáng kết hợp lại giao thoa triệt tiêu, hủy lẫn nhau, không cho ánh sáng nào được quan sát tại quang detector. Nhưng nếu có một sóng hấp dẫn làm dãn một cánh tay chút xíu và nén cánh tay kia chút xíu, thì hai chùm ánh sáng kết hợp lại không còn hoàn toàn triệt tiêu nhau, tạo ra một hệ vân giao thoa tại detector. Hệ vân này chứa thông tin cho biết hai cánh tay đã co hoặc dãn bao nhiêu, thành ra cho chúng ta biết cái tạo ra sóng hấp dẫn.
Tuy nhiên, phòng thí nghiệm aLIGO không đo độ biến thiên độ dài hành trình bởi vì sóng hấp dẫn cũng làm bước sóng ánh sáng co hoặc dãn. Thay vậy, cái thí nghiệm làm sáng tỏ là những sai lệch nhỏ xíu trong chu kì của hai chùm ánh sáng. Nếu đỉnh và hõm sóng đi tới đồng bộ, thì chúng tạo ra một vân giao thoa, nghĩa là ánh sáng hành xử giống như cái đồng hồ chứ không giống cái thước.
Ngoài việc sử dụng một hộp cộng hưởng Fabry–Pérot để tăng độ nhạy của chúng, các giao thoa kế còn có một “gương hồi phục công suất” đặt ngay sau bộ tách chùm tia. Cái gương này, cho phản xạ một phần, từ từ làm tăng công suất laser từ 200 W lên 750 W bằng cách phản xạ hầu như toàn bộ ánh sáng laser trở lại bộ tách chùm tia và đi vào hai cánh tay. Bất chấp những nâng cấp và cải tiến này, thậm chí một sóng hấp dẫn mạnh phát ra từ các lỗ đen đang va chạm cũng chỉ làm dịch chuyển các gương đi chừng 10–19 m, cho nên sự thành công của LIGO thật sự là một kì công.
Kiểm tra lí thuyết của Einstein
Với dữ liệu sóng hấp dẫn thu từ sự kiện GW150914, các nhà nghiên cứu LIGO còn có thể kiểm tra một tiên đoán then chốt nữa của thuyết tương đối rộng, đó là sóng hấp dẫn truyền đi ở tốc độ ánh sáng và được trung chuyển bởi các hạt mang lực không khối lượng hiện nay chưa biết – thường được gọi là “graviton”. Theo một số nhà vật lí giải thích, nếu graviton thật sự có khối lượng, thì nó có thể lí giải sự dãn nở đang tăng tốc của vũ trụ mà không phải viện đến khái niệm “năng lượng tối”. Tuy nhiên, dữ liệu aLIGO cho thấy không có bằng chứng nào rằng sóng hấp dẫn phân tán dị thường như chúng phải như vậy nếu lực hấp dẫn có một khối lượng nhỏ nào đó.
Tiếng reo hò từ đội LIGO
Phát ngôn viên LIGO, Gabriela González đến từ Đại học Louisiana cho biết, “Đó là một hành trình rất dài, nhưng đây mới là sự khởi đầu và phía trước đường hãy còn xa. Bây giờ chúng ta có thể bắt đầu lắng nghe vũ trụ. Đó là một món quà của tự nhiên.”
“LIGO đã mở ra một cánh cửa mới hướng vào vũ trụ - cánh cửa sóng hấp dẫn,” phát biểu của người đồng sáng lập LIGO, Kip Thorne thuộc Viện Công nghệ California. “Mỗi lần một cánh cửa mới mở ra sẽ có những bất ngờ to lớn – LIGO chỉ mới là sự khởi đầu. Cho đến nay, các nhà khoa học chúng tôi chỉ mới nhìn thấy không-thời gian uốn cong, khi nó rất tĩnh lặng. Tựa như là chúng tôi chỉ mới nhìn thấy bề mặt đại dương vào một ngày đẹp trời khi nó khá phẳng lặng. Chúng tôi chưa từng thấy đại dương trong cơn bão, với những con sóng va nhau. Toàn bộ những điều đó đã thay đổi vào ngày 14 tháng 9, 2015. Các lỗ đen va chạm tạo ra các sóng hấp dẫn này đã tạo ra một cơn bão dữ dội trong kết cấu của không gian và thời gian. Một cơn bão trong đó thời gian nhanh chậm, nhanh chậm một cách tuần hoàn.”
“Phản ứng của tôi là ‘trời, tôi không thể tin nổi,” Reitze nói. “Chúng ta sẽ chứng kiến nhiều hơn trong năm tới,” Thorne cho biết. “Chúng ta sắp có một kho khổng lồ tín hiệu sóng hấp dẫn.”
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters và được truy cập tự do: "Observation of gravitational waves from a binary black-hole merger"
Một bài báo bổ sung được công bố trên tạp chí Astrophysical Journal Letters và được truy cập tự do: "Astrophysical implications of the binary black-hole merger GW150914"
Nguồn: physicsworld.com
