Như lí thuyết tương đối rộng của Albert Einstein đã dự đoán vào năm 1916, một vật thể khối lượng lớn như Trái đất làm biến dạng không-thời gian xung quanh nó giống hệt như một quả bowling thả nằm trên một tấm vải bạt. Vật thể càng to lớn thì không-thời gian bị vật thể đó làm biến dạng càng nhiều. Nếu một hòn bi chuyển động tròn xung quanh quả bowling trên tấm bạt bị uốn lõm, thì hòn bi sẽ rơi vào bên trong, về phía quả bowling, giống hệt như một thiên thạch trong không gian quay tròn xung quanh một hành tinh. Sóng hấp dẫn là các gợn lăn tăn trong không-thời gian truyền ra mọi hướng từ một nguồn phát.
Các nhà khoa học cho rằng sóng hấp dẫn mạnh được tạo ra khi hai vật thể cực kì đặc – như hai sao neutron, hai lỗ đen, hoặc một lỗ đen và một sao neutron – quay xung quanh nhau thành cặp. Tương tác của hai vật thể đó làm không-thời gian xoáy cuộn, tạo ra các gợn sóng trên lí thuyết có thể đo được bằng cách sử dụng thiết bị đo đủ nhạy. Vào thế kỉ 20, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng gián tiếp cho sự tồn tại của sóng hấp dẫn (nghĩa là các nhà nghiên cứu đã không phát hiện sóng hấp dẫn một cách trực tiếp, mà thay vậy họ quan sát thấy các hiệu ứng của sóng hấp dẫn gây ra), nhưng chưa có bằng chứng dò tìm trực tiếp nào.
Sóng hấp dẫn khác với sóng trọng trường, tức các gợn sóng được tạo ra trong khí quyển của các hành tinh do các tương tác của gió thổi xoáy trên các diện mạo địa chất của bề mặt hành tinh.
Phát hiện đầu tiên
Năm 2016, thí nghiệm LIGO Cải tiến (Đài thiên văn Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser) công bố phát hiện trực tiếp đầu tiên về sóng hấp dẫn. Khám phá gây hào hứng trong cả cộng đồng khoa học lẫn giới công chúng.
Công bố được nêu ra vào tháng Hai 2016, nhưng việc phát hiện thật sự đã diễn ra vào tháng Chín 2015 (các nhà khoa học LIGO phải tiến hành các phân tích thống kê dài dòng về số liệu đo để xác nhận việc khám phá). Một cặp lỗ đen, cân nặng bằng 29 và 36 lần khối lượng mặt trời, hợp nhất thành một vật thể, đã tạo ra các gợn sóng trong không-thời gian mà LIGO phát hiện. Tín hiệu tháng Chín ấy là dò tìm đầu tiên về lỗ đen đôi. Các nhà vật lí Kip Thorne và Barry Barish tại Viện Công nghệ California và Rainer Weiss tại Viện Công nghệ Massachusetts đã nhận giải Nobel Vật lí 2017 cho vai trò đóng góp của họ trong khám phá trên.
Đội LIGO công bố dò thấy một tín hiệu sóng hấp dẫn thứ hai vào tháng Sáu 2016; cặp dụng cụ đã phát hiện thấy tín hiệu vào ngày 26 tháng Mười Hai 2015. Đài thiên văn LIGO công bố một khám phá thứ ba vào tháng Sáu 2017 và một khám phá thứ tư vào tháng Chín 2017. Bốn tín hiệu sóng hấp dẫn đầu tiên mà LIGO dò thấy đều được tạo ra bởi các cặp lỗ đen va chạm.
Tín hiệu dò thấy thứ tư có ý nghĩa đáng kể vì nó cũng được dò thấy bởi detector sóng hấp dẫn Virgo ở Italy. Virgo là chương trình hợp tác giữa Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia (CNRS) của Pháp và Viện Vật lí Hạt nhân Quốc gia (INFN) của Italy.
Toàn bộ các lỗ đen mà LIGO dò thấy đều dưới 50 lần khối lượng mặt trời và khác xa những lỗ đen lớn nhất mà người ta từng phát hiện. Siêu lỗ đen tại tâm của Ngân hà cân nặng hơn 4 triệu lần khối lượng mặt trời. Theo các nhà khoa học, các lỗ đen khối lượng trung gian rất khó giải thích so với các anh em đồ sộ hơn của chúng.
“29 và 30 lần khối lượng mặt trời là một bất ngờ lạ lắm. Nếu bạn nhìn vào đa số các sao đôi trong thiên hà [Ngân hà], với thành phần sao đã biết, thì chúng ta không kì vọng các lỗ đen có khối lượng cỡ này,” Vicky Kalogera, một nhà khoa học lỗ đen và là thành viên đội LIGO, phát biểu trên trang Space.com, không bao lâu sau khám phá đầu tiên.
Khi LIGO và Virgo tiếp tục nghiên cứu không-thời gian, và khi có thêm nhiều detector đi vào hoạt động (như một detector được đề xuất ở Ấn Độ), các nhà khoa học sẽ trau dồi thêm kiến thức của họ về các lỗ đen trung bình và các cặp lỗ đen.
“Với mỗi kết hợp khối lượng và spin của lỗ đen, bạn thu được một [tín hiệu] khác,” phát ngôn viên LIGO Gabriel Gonzalez phát biểu trong phiên họp lần thứ 228 của Hội Thiên văn học Hoa Kì ở San Diego hồi tháng Sáu 2016.
Hồi năm 2012, giáo sư vật lí Kip Thorne tại Viện Công nghệ California, người đi đầu đề xuất LIGO, đã dự đoán rằng thiết bị này sẽ mang lại món hời sóng hấp dẫn khi các nhà nghiên cứu cải tiến các dụng cụ và tăng cường độ nhạy của chúng.
“Chúng tôi kì vọng chứng kiến được các lỗ đen va chạm ở tốc độ có lẽ đâu đó giữa một lần mỗi giờ hoặc một lần mỗi năm,” Thorne nói.
Lạm phát vũ trụ
Năm 2014, các nhà khoa học với thí nghiệm Chụp ảnh Nền Phân cực Vũ trụ Ngoài thiên hà 2 (BICEP2) công bố cho biết họ đã tìm thấy một tín hiệu mờ nhạt trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) trông na ná như bằng chứng của sóng hấp dẫn được tạo ra trong vũ trụ thời rất xa xưa. Theo các nhà nghiên cứu, khám phá này sẽ là bằng chứng “phát súng mở màn” cho giả thuyết về lạm phát vũ trụ, lí thuyết cho rằng ngay sau Vụ Nổ Lớn (13,8 tỉ năm trước), vũ trụ đã trải qua một thời kì dãn nở cực kì nhanh. Sự dãn nở đó sẽ tạo ra các gợn sóng trong CMB, đám sương mù vũ trụ lấp đầy cõi vũ trụ và đại diện cho bức xạ xa xưa nhất mà người ta có thể phát hiện thấy.
Thật không may, tín hiệu mà BICEP2 dò thấy cũng có thể được giải thích bởi bụi có mặt trong Ngân hà, và các nhà nghiên cứu sau đó đã rút lại lời khẳng định rằng họ đã dò thấy sóng hấp dẫn.
Bức xạ CMB xuất hiện khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn. Các nhà khoa học đã lập bản đồ CMB cho toàn bầu trời và nhận thấy nó ở một nhiệt độ đồng đều, bằng chứng củng cố cho lí thuyết lạm phát vũ trụ.
“Vì sao nhiệt độ phông nền vi sóng vũ trụ lại bằng nhau ở các điểm khác nhau trên bầu trời sẽ là một bí ẩn nếu chẳng phải vì lạm phát mà toàn bộ bầu trời của chúng ta đến từ vùng nhỏ xíu này,” phát Chuck Bennett, nhà nghiên cứu chính thuộc sứ mệnh Tàu thăm dò Vi sóng Phi đẳng hướng Wilkinson (WMAP) của NASA, phát biểu với Space.com hồi năm 2013. “Vì thế, khái niệm lạm phát giúp trả lời một số bí ẩn này, và nó giải thích những thăng giáng này do đâu mà có.”
Nguồn: Space.com
