Tái khởi động dò sóng hấp dẫn với hỗ trợ của cơ học lượng tử

Cuộc săn tìm sóng hấp dẫn được khởi động lần nữa, lần này được cơ học lượng tử hỗ trợ.

Máy dò sóng hấp dẫn Virgo đặt gần Pisa, Italy đã được tăng gấp đôi độ nhạy kể từ năm 2017. Nguồn: Cappello/Ropi via ZUMA

Ba máy dò cỡ lớn – hai chiếc là LIGO ở Mỹ và Virgo ở Ý – tiếp tục hoạt động trở lại để thu thập dữ liệu kể từ ngày 1/4/2019, sau 19 tháng dừng hoạt động để nâng cấp. Nhờ có hiện tượng lượng tử mà chúng ta biết như trạng thái nén của ánh sáng (light squeezing), các thiết bị này không chỉ điểm trúng các sóng hấp dẫn – các gợn sóng trong không thời gian có thể đem lại vô số thông tin về vũ trụ – mà còn đem đến nhiều cuộc dò với những thông tin chi tiết. Các nhà nghiên cứu hy vọng quan sát được các sự kiện chưa từng dò được trước đây, như siêu tân tinh hay sự va chạm của một lỗ đen với một sao neutron.

Đợt vận hành này, ít nhất sẽ bắt đầu vào tháng 3/2020, cũng ghi nhận một thay đổi lớn về cách thiên văn sóng hấp dẫn được hình thành. Với lần đầu khởi động này, LIGO và Virgo sẽ đưa ra những tín hiệu theo thời gian thực về những cuộc dò sóng hấp dẫn để lật lại các quan sát khác về cách làm thế nào để dò ra các sự kiện vũ trụ này, nhờ đó có thể nghiên cứu chúng bằng các kỹ thuật truyền thống, từ các kính viễn vọng sóng radio đến tia X không gian. Các tín hiệu sẽ được chuyển tới các nhà nghiên cứu qua một app điện thoại. “Các nhà thiên văn học thực sự khát thông tin,” theo David Reitze – một nhà vật lý tại Viện Công nghệ California ở Pasadena và giám đốc hiện tại của LIGO, nơi đã chứng kiến việc dò ra sóng hấp dẫn lịch sử vào năm 2015, mỗi tín hiệu được bắt nguồn từ một cuộc va chạm vũ trụ lớn – 10 tín hiệu từ các cuộc sáp nhập giữa hai lỗ đen. Cỗ máy dò Virgo gia nhập mạng lưới này năm 2017 và có nhiều đóng góp quan trọng, ví dụ ngay lần đầu dò vào năm 2017 đã “ngắm” được sóng hấp dẫn từ sự sáp nhận của các sao neutron. Dữ liệu từ sự kiện vũ trụ này có thể giúp các nhà thiên văn giải thích nhiều bí ẩn vũ trụ.

Mạng lưới vừa được nâng cấp này có thể dò được nhiều sự kiện vũ trụ hơn những lần vận hành trước đây, từ trung bình một cuộc dò được mỗi tháng đến một cuộc mỗi tuần, Reitze nói. Phần lớn các sự kiện này sẽ hầu như là các cuộc sáp nhập lỗ đen nhưng các nhà vật lý thì háo hức là sẽ thấy cả các va chạm sao neutron khác nữa.

Nâng cấp độ nhạy

Việc gia tăng độ nhạy của các cỗ máy dò để phân biệt tốt hơn các tín hiệu quan trọng từ tiếng ồn nền thường trực – đem lại cho các nhà vật lý với nhiều chi tiết hơn về sóng hấp dẫn. Điều này có thể cho phép thực hiện các thí nghiệm về thuyết tương đối rộng của Albert Einstein một cách chính xác, vốn dự đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn.

Các cuộc dò trong tương lai có thể tiết lộ các bí mật của các lỗ đen trong quá trình sáp nhập như chúng spin nhanh như thế nào và theo hướng nào, Ilya Mandel – nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại trường đại học Monash ở Melbourne, Australia, cho biết. “Có thể là chúng tôi có thể khởi động một chút thông tin về việc liệu là chúng có được sắp thẳng hàng hay không,” anh nói.

Nếu các trục quay của lỗ đen song song, điều đó có thể đề xuất vấn đề là chúng có thể có chung nguồn gốc và bắt đầu khởi động như hai ngôi sao cùng quỹ đạo. Ngược lại, các spin được sắp hàng một cách ngẫu nhiên ngụ ý là các lỗ đen được hình thành một cách riêng rẽ và sau đó bắt đầu chuyển động theo từng quỹ đạo riêng.

Các nâng cấp này nằm tăng cường độ nhạy của các cỗ máy của LIGO ở Livingston, Louisiana – hiện là các cỗ máy dò nhạy bậc nhất thế giới – tới 40%. Trong năm 2017, những khuyết tật về kỹ thuật đã ảnh hưởng đến “cánh tay” giao thoa kế khác của LIGO ở Hanford, Washington, và Virgo, nhưng hiện giờ thì vấn đề đã được giải quyết; Virgo đã tăng gấp đôi khoảng cách có thể dò được các sự kiện vũ trụ, theo Alessio Rocchi – người điều phối nhiệm vụ ở Virgo và là nhà vật lý ở Viện nghiên cứu vật lý hạt nhân quốc gia Ý tại Rome.

Những cập nhật về laser

Độ nhạy của các cỗ máy dò được gia tăng là kết quả từ hai lần thay đổi trong những laser tại tâm điểm của các quan trắc. Mỗi máy dò của LIGO là một hệ chân không hình chữ L kéo dài thành “cánh tay” dài 4km; cỗ máy Virgo gần Pisa cũng tương tự nhưng chỉ dài 3 km. Bên trong, các chùm laser nẩy bên giữa các tấm gương được lắp ở điểm cuối của mỗi “cánh tay”. Khi các gợn sóng hấp dẫn chạm đến trái đất, chúng khiến các tia laser thay đổi độ dài ở mức cực nhỏ.

Để bắt được các tín hiệu từ tiếng ồn một cách tốt hơn, các nhà vật lý ở LIGO và Virgo đã biến đổi lực của các tia laser và phát triển một kỹ thuật mang tên “độ nén của ánh sáng”, vốn được phát triển dựa trên những điều “kỳ quặc” của cơ học lượng tử.

Tại các quan trắc sóng hấp dẫn, những thăng giáng ngẫu nhiên là nguyên nhân khiến các hạt photon trong các chùm laser chạm vào các tấm gương ở những thời điểm không dự đoán được. Đây là cản trở chính trong quá trình dò sóng hấp dẫn tại LIGO và Virgo. Nhưng các nhà vật lý vẫn thường dùng trạng thái nén của ánh sáng để điều khiển sự thăng giáng đó để đem lại sự cải thiện về độ nhạy – trong trường hợp này, bằng việc chuyển hướng một vài thăng giáng theo những tần số thấp hơn để tăng cường khả năng dò các loại sóng cao tần.

Trạng thái nén của ánh sáng

Trạng thái nén của ánh sánh là một phần tiêu chuẩn của hộp công cụ ở các phòng thí nghiệm quang học lượng tử trong nhiều thập kỷ, và kể từ năm 2010, đã được đưa vào máy dò GEO600 – một kiểm tra thử nghiệm cho LIGO với những “cánh tay” dài 600m ở gần Hanover, Germany. Vào thời điểm đó, một nhóm nghiên cứu đã kiểm tra trạng thái nén của ánh sáng trên giao thoa kế Hanford.

Kỹ thuật này có thể được cải tiến riêng biệt cho việc dò các sóng được tạo ra từ việc sáp nhập các ngôi sao đôi neutron hoặc lỗ đen nhỏ, bởi như các vật thể nhẹ hơn di chuyển theo hình xoắn ốc với nhau, chúng quay quanh nhau tới 500 lần mỗi giây trước khi va chạm và sóng của chúng trở nên cao đến mức chúng rơi ra ngoài phạm vi dò được của các giao thoa kế. Độ nhạy cao hơn có thể khiến các máy dò theo dấu các vật thể này ngay trên đường chúng lan truyền.

Các nhà thiên văn trên khắp thế giới đang chuẩn bị theo sát các cuộc dò sóng hấp dẫn và kiểm tra những sự kiện vũ trụ tương tự do các kỹ thuật thông thường tìm được – bao gồm đài quan sát sóng radio, quang học và tia X – và thông báo rộng rãi những gì mà một cỗ máy dò như vậy có thể tìm ra.

Cộng đồng vật lý thiên văn đã từng nếm trải hương vị đầu tiên của thiên văn đa tín hiệu khi LIGO và Virgo dò được sự sáp nhập của sao neutron. Nếu trong những lần vận hành trước đó, các nhóm nghiên cứu thiên văn muốn có được thông tin phải ký một biên bản ghi nhớ với nhóm hợp tác LIGO–Virgo để giữ bí mật thông tin; những nhà nghiên cứu muốn quan sát cũng phải mất một thời kỳ “cấm vận” thì ở lần này thì không như vậy nữa. “Nếu họ theo dõi và thấy điều gì đó phù hợp, họ có thể làm những điều họ muốn. Không giới hạn những thông tin mà họ sẽ xuất bản trong công trình nghiên cứu. Đây là một thay đổi lớn”,  Reitze nói.

Trong lúc này, các nhà nghiên cứu tại đài quan trắc sóng hấp dẫn KAGRA mới được lắp đặt ở Nhật Bản đang chạy đua với thời gian để cỗ máy của họ có thể tham gia vào mạng lưới này vào đầu năm 2020. Việc có 4 cỗ máy dò sẽ góp phần định vị vị trí của một sự kiện vũ trụ với độ chính xác cao hơn.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-01064-2