Khám phá sóng hấp dẫn có thể mở đường giải đáp 6 câu hỏi lớn về vũ trụ

Tạp chí Nature mới đây đăng bài viết của tác giả Davide Castelvecchi nhận định rằng công bố về bằng chứng cho sóng hấp dẫn đưa ra bởi Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO) hôm 11/2 không chỉ giúp xác minh cho tiên đoán của Einstein cách đây đúng 100 năm mà còn mở ra một ngành thiên văn mới: thiên văn sóng hấp dẫn, với triển vọng giải quyết sáu câu hỏi lớn về vũ trụ.

Bài báo cho biết công bố của LIGO là kết quả nghiên cứu sử dụng hai cảm biến khổng lồ ở Mỹ,một tại Livingston bang Louisiana, một tại Hanford, bang Washington, cho phép các nhà khoa học đo những gợn sóng lăn tăn trong không – thời gian tạo ra bởi va chạm giữa hai hố đen. Điều thú vị là khi dự án LIGO được Chính phủ Mỹ quyết định cấp kinh phí hồi đầu thập kỷ 1990, những người phản đối chủ yếu lại chính là các nhà thiên văn, với quan điểm cho rằng “LIGO chẳng mấy liên quan tới thiên văn học”, theo lời Clifford Will, nhà nghiên cứu thuyết tương đối rộng của Đại học Florida ở Gainesville, một trong những người ủng hộ dự án LIGO ngay từ đầu. Nay thì cái nhìn của giới thiên văn sẽ phải thay đổi, ông nhận định.
Sau đây là sáu câu hỏi lớn về vũ trụ mà bằng chứng về sóng hấp dẫn đã/sẽ góp phần giải quyết:

Lỗ đen có thực sự tồn tại không?
Một trong những ý nghĩa khoa học quan trọng từ khám phá của LIGO về sự hợp nhất hai lỗ đen, đơn giản chính là đã xác minh lỗ đen thực sự tồn tại. Các nhà thiên văn trước đây chưa từng trực tiếp thấy hố đen, dù đã có nhiều bằng chứng gián tiếp về nó thông qua các quan sát về các vì sao, các đám khí siêu nóng xoay quanh hố đen. Giới khoa học từ lâu vẫn coi sự tồn tại của hố đen như một mặc định, như nhận xét của Frans Pretorius, một chuyên gia về mô phỏng thuyết tương đối rộng từ Đại học Princeton, trả lời Nature trước thềm công bố của LIGO. “Bởi nó là một tiên đoán kỳ vĩ, nên chúng ta đòi hỏi phải có bằng chứng kỳ vĩ tương xứng.”
Những tín hiệu mà LIGO thu được chính là bằng chứng như vậy. Nó cũng xác nhận quy trình hòa nhập giữa hai hố đen đúng như dự đoán. Đó là khi hai hố đen xoay quanh nhau, tỏa ra năng lượng là sóng hấp dẫn. LIGO đã quan trắc được những âm thanh đặc thù của các sóng này, qua đó cho phép các nhà khoa học đo lường khối lượng của hai lỗ đen: một cái gấp 36 lần khối lượng Mặt trời, cái còn lại gấp 29 lần. Sự hòa nhập của hai hố đen “tương tự như khi hai bong bóng xà phòng tiếp cận gần sát nhau, chúng hòa thành một bong bóng”, theo lời Thibault Damour, một nhà nghiên cứu lực hấp dẫn của Viện Nghiên cứu Khoa học tiên tiến gần Paris. Kết quả là hình thành một hố đen hình cầu, tuy nhiên, quá trình đó trước hết tỏa ra những sóng hấp dẫn đúng như LIGO đã xác minh.

Sóng hấp dẫn liệu có di chuyển với tốc độ ánh sáng?
Các nhà vật lý dự đoán rằng lực hấp dẫn được truyền bằng các hạt gọi là graviton. Nếu graviton cũng giống như photon là các hạt không có khối lượng, thì sóng hấp dẫn sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng, đúng với dự đoán về tốc độ sóng hấp dẫn mà Einstein đưa ra theo Thuyết Tương đối rộng cổ điển. (Mặc dù tốc độ sóng hấp dẫn vẫn có thể bị ảnh hưởng bởi quá trình dãn nở tăng tốc của Vũ trụ, nhưng hiện tượng đó chỉ có thể xảy ra ở khoảng cách lớn hơn nhiều so với phạm vi thăm dò của LIGO).
Ngược lại, trong trường hợp graviton có khối lượng thì sóng hấp dẫn sẽ di chuyển với tốc độ thấp hơn sóng hấp dẫn. Do đó, nếu LIGO quan trắc thấy sóng hấp dẫn từ một sự kiện vũ trụ nào đó lan tới Trái đất tại một thời điểm chậm hơn so với thời điểm một kính thiên văn thông thường nhận thấy các tia γ của cùng sự kiện đó, thì có nghĩa là tốc độ sóng hấp dẫn thấp hơn tốc độ ánh sáng, và điều ấy sẽ cung cấp một thông tin hết sức quan trọng đối với vật lý cơ bản.

Không – thời gian được tạo thành bởi các dây vũ trụ?
Sẽ là một khám phá thậm chí còn kỳ dị hơn nữa nếu qua LIGO người ta quan sát thấy một chùm sóng hấp dẫn từ các ‘dây vũ trụ’. Các nhà vật lý phỏng đoán dây vũ trụ là một dạng khiếm khuyết topo trên đường cong không – thời gian, vô cùng mỏng nhưng trải suốt không gian vũ trụ, và khi sợi dây đó rung động sẽ tạo ra những chùm sóng hấp dẫn mà LIGO có thể đo được.

Bề mặt các sao neutron liệu có gồ ghề?
Các sao neutron là cái còn sót lại sau khi các sao lớn hơn bị sụp đổ bởi chính khối lượng của chúng và trở nên đặc tới mức các hạt electron và proton bị ép hòa vào nhau trở thành neutron. Mặc dù lý thuyết này đến nay vẫn còn chưa hoàn thiện, nhưng sóng hấp dẫn sẽ đem lại những hiểu biết quan trọng đột phá. Ví dụ, thông thường lực hấp dẫn cực hạn sẽ khiến các sao neutron là một hình cầu gần như hoàn hảo, nhưng một số nhà nghiên cứu phỏng đoán rằng trên bề mặt hình cầu vẫn có những “núi” cao vài milimet, khiến cho sao neutron (với đường kính khoảng 10 km) bị lệch tâm một chút xíu, mà với tốc độ quay rất nhanh của chúng thì sự bất cân xứng rất nhỏ ấy đủ để tạo ra các tín hiệu sóng hấp dẫn có trắc đồ hình sin, tỏa ra năng lượng và làm giảm tốc độ quay của sao. Các cặp sao neutron xoay quanh nhau cũng sẽ tạo ra một dạng tín hiệu liên tục,  và tương tự như hai hố đen chúng cũng tiếp cận nhau cho tới khi nhập lại, tạo thành một âm thanh có thể nghe thấy được. Nhưng khác với sự hòa nhập các hố đen, các sao neutron khi hòa vào nhau dẫn tới rất nhiều kịch bản khác nhau, có thể tạo thành một sao neutron khổng lồ, cũng có thể là một vụ sụp đổ tức thời và trở thành hố đen.

Nguyên nhân nào khiến các vì sao bị nổ?  
Hố đen và sao neutron hình thành khi các vì sao khổng lồ tắt sáng và tự sụp đổ. Các nhà vật lý thiên văn cho rằng điều này gây ra một loại nổ supernova phổ biến, gọi là Loại II. Các mô phỏng về supernova chưa giúp lý giải rõ ràng yếu tố nào kích hoạt ra chúng, nhưng việc lắng nghe các chùm sóng hấp dẫn từ các supernova có thể mang đến câu trả lời. Tùy thuộc vào dữ liệu về hình dạng sóng của các chùm sóng hấp dẫn, mức độ âm thanh, mật độ của chúng, và tính tương liên giữa chúng với bản thân các supernova như qua quan sát từ các kính thiên văn điện từ, sẽ giúp củng cố hoặc bác bỏ các mô hình lý thuyết hiện hành.

Vũ trụ giãn nở với tốc độ nào?
Sự giãn nở của Vũ trụ khiến các đối tượng đang lùi xa khỏi Thiên hà của chúng ta nom đỏ hơn diện mạo thực của chúng, do ánh sáng mà chúng tỏa ra bị kéo dãn trong khi di chuyển. Các nhà nghiên cứu vũ trụ ước tính tốc độ giãn nở của Vũ trụ bằng cách xem xét đối chiếu giữa tông màu đỏ của các thiên hà mà chúng ta quan sát được với khoảng cách giữa chúng tới Trái đất.
Tuy nhiên, thay vì dựa vào kỹ thuật có sai số khá lớn này, người ta có thể sử dụng một số trạm quan trắc sóng vũ trụ ở vài địa điểm khác nhau trên thế giới để đo các tín hiệu từ cùng một vụ sát nhập sao neutron, qua đó đo được âm thanh tín hiệu để cung cấp một chỉ số độc lập để ước tính độ giãn nở vũ trụ với độ chính xác cao hơn.

Lược dịch theo Nature 
http://www.nature.com/news/gravitational-waves-6-cosmic-questions-they-can-tackle-1.19337