Sóng hấp dẫn
Eric Gustafson
Eric Gustafson hiện làm việc tại Viện Công nghệ California, Hoa Kì, và đứng đầu nhóm khoa học thiết bị của đài thiên văn sóng hấp dẫn LIGO.
Thường được xem là “những gợn sóng trong không-thời gian”, sóng hấp dẫn sinh ra trong những sự kiện thiên văn vật lí cực kì dữ dội trong đó vận tốc của các vật như sao neutron hoặc lỗ đen thay đổi những lượng thật sự bằng vài phần của tốc độ ánh sáng trong một khoảng thời gian rất ngắn. Việc dò tìm các sóng ấy là một nhiệm vụ đầy thử thách vì, đối với các máy dò đặt trên mặt đất, những biến đổi này đối với vận tốc xảy ra trên quy mô thời gian từ một phần của một mili giây cho đến vài chục mili giây. Việc đo những thăng giáng nhỏ xíu này trong sự cong của không-thời gian đòi hỏi sử dụng các giao thoa kế laser rất nhạy, trong đó các chùm ánh sáng truyền xuống các cánh tay vuông góc của thiết bị, phản xạ khỏi các gương nằm tại cuối mỗi cánh tay và sau đó quay trở lại giao thoa với nhau. Ý tưởng là một sóng hấp dẫn đi qua sẽ làm thay đổi hình ảnh giao thoa theo một kiểu đặc trưng.
Khi công nghệ laser phát triển, các laser sử dụng trong các thí nghiệm sóng hấp dẫn đã thay đổi theo với nó. Thí nghiệm giao thoa kế đầu tiên được thiết kế để dò tìm những sóng này, do Robert Forward tại Phòng nghiên cứu Hughes ở California xây dựng vào đầu những năm 1970, sử dụng một laser helium-neon 75 mW và có kích cỡ bằng một bàn cờ. Rồi với độ nhạy ấn tượng của dụng cụ này, việc đo những chuyển dịch dao động nhỏ nhất đã từng phát hiện với một laser tính cho đến nay: 1,3 × 10–14 m Hz–1/2 – tương đương với việc đo những biến đổi chưa tới 2 mm trong khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời. Tuy nhiên, các tính chất cỡ công suất nghèo nàn của laser helium–neon khiến nó không có tương lai trong giao thoa kế sóng hấp dẫn ngoài các thí nghiệm trên bàn.
Trong thập niên 1980, một vài nhóm trên khắp thế giới đã xây dựng các giao thoa kế trong các hệ chân không cực cao, với hệ thống quang của chúng treo lơ lửng để cách li chúng khỏi sự nhiễu nền. Những thí nghiệm này có kích thước từ một đến vài chục mét và sử dụng các laser ion argon, chúng hoạt động ở bước sóng 514 nm và công suất phát vài watt. Các giao thoa kế như vậy thường được thiết kế ra để nghiên cứu những vấn đề đặc biệt trong giao thoa kế sóng hấp dẫn, thí dụ như so sánh các cấu hình quang khác nhau, tìm các phương thức điều khiển hệ thống quang lơ lửng và mô tả đặc trưng sự nhiễu ở các hệ con như các gương, và phát triển các tín hiệu điều khiển chiều dài và canh chỉnh cho hệ thống quang treo lơ lửng.
Thật không may, các ống plasma sử dụng trong các laser ion argon, cùng với nước làm nguội mà chúng cần, tạo ra mức cao của sự nhiễu tần số laser. Ngoài ra, thời gian sống tương đối ngắn của những ống này khiến chúng không thực tế cho sử dụng trong đài thiên văn. Cuối cùng, công suất phát của các laser trên – trong khi cao hơn laser helium-neon – là nhỏ so với cỡ hàng trăm watt mà các máy dò tiên tiến hơn đòi hỏi, nhờ thực tế là ở các tần số cao, độ nhạy của máy dò bị hạn chế bởi sự nhiễu bắn phá.
Vào thập niên 1990, khi nhóm hiện nay của các đài thiên văn cỡ km (LIGO ở Mĩ, VIRGO ở Italy và GEO ở Đức) đã và đang được lên kế hoạch và triển khai xây dựng, các laser bán dẫn bơm diode đã có sẵn trên thị trường. Những laser này không chỉ có mức nhiễu tần số thấp hơn nhiều so với các laser ion argon, mà chúng còn có tiềm năng tạo ra công suất cao hơn nhiều. Thoạt đầu, công suất phát cực đại của chúng là khoảng 10 W, nhưng các laser bơm diode cải tiến và sử dụng các dao động tử công suất bơm-khóa hoặc các cấu hình dao động tử chủ - bộ khuếch đại công suất biến các laser loại 100 W sẵn sàng cho một thế hệ mới của các giao thoa kế. Những giao thoa kế mới này sẽ đưa vào sử dụng trong vài năm tới tại LIGO và VIRGO, và sẽ sử dụng các laser 200 W. Đồng thời, GEO sẽ sử dụng một kĩ thuật ánh sáng nén để tạo ra hiệu suất nhiễu tốt hơn ở mức công suất laser thấp. Đối với các thiết bị đặt trên không gian như Anten Vũ trụ Giao thoa kế Laser (LISA), các laser bán dẫn bơm diode được chọn không phải vì tiềm năng công suất cao của chúng, mà vì hiệu suất và tính xác thực rất cao của chúng, các đặc điểm đặc biệt quan trọng cho một sứ mệnh đặt trên không gian.
Không rõ chính xác thì những laser nào hoặc những bước sóng nào sẽ là cần thiết cho các máy dò đặt trên mặt đất trong tương lai. Chúng ta có thể thấy những bước sóng hơi dài hơn một chút được chọn có thể dùng với các vật liệu làm chất gương mới hoạt động ở 1064 nm; hoặc chúng ta có thể thấy những bước sóng ngắn hơn cho phép chúng ta sử dụng các lớp tráng gương mỏng hơn, do đó làm giảm sự nhiễu nhiệt sinh ra. Có lẽ khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm kiếm bước sóng “thích hợp” để tối ưu hóa độ nhạy, thì chúng ta sẽ thấy chúng ta cần những bước sóng chỉ có thể được tạo ra qua sự biến đổi tần số phi tuyến của các laser bán dẫn – và vì thế sự chọn lựa các laser của chúng ta có thể tiếp tục phát triển.
Theo Physics World, tháng 5/2010
