LIGO tiếp tục phát hiện tiếng thì thầm từ vụ sáp nhập hai hố đen

Sau phát hiện lịch sử lần đầu tiên vào cuối tháng 9, đài quan sát đôi LIGO đã phát hiện ra sóng hấp dẫn một lần nữa vào ngày lễ tặng quà (Boxing day 26/12), theo những kết quả được công bố hôm 15/6 vừa qua.

Ảnh minh họa hai hố đen vặn xoắn tạo ra sóng hấp dẫn

Trước 4 giờ sáng ngày 26/12, nhà nghiên cứu Sathyaprakash thức giấc cùng một tin tức đáng mừng: sóng hấp dẫn đã được phát hiện lần thứ hai trong lịch sử.

Chiếc laptop của nhà vật lý lý thuyết từ Đại học Cardiff, nước Anh được đặt ở đầu giường khi ông ngủ có thiết lập chế độ báo động tự động khi nhận email từ máy tính ở bộ phận giao thoa kế Laser của Đài quan sát sóng hấp dẫn (LIGO).

“Tôi tỉnh dậy và kiểm tra máy tính. Và ngạc nhiên chưa, một sự kiện vừa xảy ra 2 phút trước,” ông nói. Vào 3:38:53 theo giờ quốc tế, đài quan sát đôi LIGO ở Louisiana và Washington đã ghi nhận được dấu hiệu sóng của hai vật thể khối lượng cực lớn – có thể là hai hố đen– ở cuối giai đoạn vặn xoắn giữa chúng.

Vào thời điểm đó, các nhà khoa học quốc tế tại LIGO và các cộng sự của họ tại đài quan sát Virgo, gần Pisa, Ý, đang bận rộn phân tích những khám phá đầu tiên của LIGO – sự kiện đã được khám phá vào ngày 14 tháng 9. Các nhà khoa học đã công bố kết quả tìm kiếm này vào tháng hai, gây ra sự chấn động toàn cầu. Họ sẽ đưa ra những phân tích đầy đủ cho sự kiện thứ hai sau một tuần nữa, Bruce Allen một nhà vật lý tại LIGO đồng thời là giám đốc điều hành Viện Vật lý Hấp dẫn Max Plank, Hanover, Đức cho biết.

Thành công thứ hai

“Điều đó thật dị thường, làm cách nào mà chỉ vài tháng sau sự kiện đầu tiên, chúng ta lại có được kết quả tiếp theo,” Sathyaprakash nhận định.

Khám phá thứ hai đã “chỉ ra rằng toàn bộ việc này không phải chỉ là một kiểu chó ngáp phải ruồi” Clifford Will, một nhà vật lý lý thuyết tại đại học Florida ở Gainesville nhận xét, ông không phải thành viên của nhóm nghiên cứu LIGO hay Virgo. Tưởng rằng khám phá lần đầu vào tháng 9 là một sự may mắn, nhưng thành công của sự kiện thứ hai này chỉ ra rằng có một số lượng lớn các cặp hố đen thường xuyên tạo ra các vụ sáp nhập ngoài vũ trụ. LIGO và Virgo có thể mong chờ những phát hiện xảy ra thường xuyên, Will nói “Đây sẽ là một hướng đi mới của thiên văn học.”

Einstein tiên đoán những chuyển động có gia tốc và chuyển động quay của những vật thể có khối lượng có thể tạo nên những gợn sóng trong cấu trúc không gian (ở phát hiện đầu tiên, trong 0,2 giây mà thiết bị đo được, vận tốc của hố đen tăng từ 30% đến 60% tốc độ ánh sáng). Ta có thể hình dung sóng hấp dẫn cũng giống như sóng âm thanh, nhưng di chuyển với vận tốc ánh sáng và có thể lan truyền trong chân không.

Những phân tích chi tiết khẳng định rằng tín hiệu thu được phải là của các gợn sóng từ các cặp hố đen (xem video trong link bên dưới). Lần này, tín hiệu từ sóng hấp dẫn kéo dài trong một giây, thay vì một phần năm giây như trong sự kiện đầu tiên. Sự kiện thứ hai bao trùm 27 lần xoay quanh nhau cuối cùng (vặn xoắn) giữa hai hố đen trước khi chúng sáp nhập. trong khi sự kiện đầu tiên chỉ có 5 vòng xoay. Điều này cho phép các nhà khoa học có thể kiểm chứng thuyết tương đối rộng với độ chính xác gấp đôi so với thí nghiệm ở phát hiện đầu tiên. Các tính chất cơ bản, khối lượng và spin, của hố đen sau va chạm có giá trị phù hợp với dự đoán của thuyết tương đối rộng.

Điều này vẫn đúng ngay cả khi sự kiện tháng 9 là “ầm ĩ hơn” so với sự kiện tháng 12. Cặp hố đen đầu tiên có khối lượng gấp 36 và 29 lần khối lượng Mặt trời. Trong khi cặp hố đen thứ hai có khối lượng gấp 14 và 8 lần khối lượng mặt trời và bức xạ phát ra có năng lượng chỉ bằng một phần ba lần đầu (ở cả hai trường hợp, các cặp hố đen đã chuyển động xoáy tròn quanh nhau hàng triệu hoặc hàng tỷ năm, nhưng LIGO chỉ có thể chụp bắt được vào giai đoạn cuối sự kiện, tại thời điểm tần số của sóng hấp dẫn tăng lên đột ngột trước khi hai hố đen hợp nhất, dải tần số này nằm trong vùng thu nhận của giao thoa kế tại LIGO.)

Quà tặng đúng lúc

Các nhà khoa học tại LIGO và Virgo ước tính cả hai vụ va chạm xảy ra cách xa chúng ta hơn 400 megaparsecs (megaparsec là đơn vị đo dùng trong thiên văn, 400 megaparsecs bằng 1,3 tỷ năm ánh sáng.) Nhóm nghiên cứu đã trình bày những nghiên cứu mới nhất của họ vào ngày 15 tháng 6 trong buổi họp của Hiệp hội Cộng đồng Thiên văn Hoa Kỳ ở San Diego, bang California, và được xuất bản trên tờ tạp chí Physical Review Letters.

Một cộng sự của LIGO tại đại học bang Pennsylvania thuộc đại học Park, Chad Hana, đặc biệt hứng thú với những khám phá gần đây nhất. Hana nhận được tin nhắn báo đến vào thời điểm lễ Giáng sinh ở Mỹ, và ông đang ở bên gia đình mình. Vì việc hợp tác nghiên cứu này yêu cầu các thành viên của nó phải bảo mật toàn bộ dữ liệu, vì vậy, Hana đã ngay lập tức bật khỏi ghế ngồi, lấy laptop và vào một phòng trống ở trên gác. Ban đầu, ông rất hoài nghi ông nói: “Tôi chỉ không nghĩ rằng vũ trụ đã thật hài hước khi gửi đến một kết quả đúng vào ngày lễ Giáng sinh.”

Tuy thế, ông nhanh chóng nhận ra rằng, mặc dùng những tín hiệu rất yếu, nhưng chúng là thật. Đây là một phép thử quan trọng cho phần mềm mà ông giúp thiết kế để xử lý các dữ liệu thu được từ hai đài quan sát. Hệ thống này có thể phát hiện ra những sự kiện kể cả khi mức độ nhiễu lên tới 50%, và không đưa ra quá nhiều báo động giả.

Những sự kiện khác

Cuối cùng, những báo hiệu tự động cũng ngay lập tức được thông báo tới hàng chục nhóm nghiên cứu thiên văn. Các nhà nghiên cứu này dự định sẽ đặt lại vị trí các kính viễn vọng của họ nhằm thu được ánh sáng nhìn thấy, hoặc các sóng điện từ có nguồn gốc từ các sự kiện tạo ra sóng hấp dẫn tương tự.

Trong 4 tháng kể từ sự kiện khoa học này (tháng 9 năm 2015 đến tháng 1 năm 2016), Đài quan sát 620 triệu USD Advanced LIGO – một phiên bản nâng cấp của đài quan sát trước đó – đang đóng cửa để chờ nâng cấp, sẽ tái hoạt động vào tháng 9, cùng với đó là phiên bản Virgo mới nhất.

Những kết quả công bố vào thời điểm này đã hoàn thiện công cuộc tìm kiếm các vụ sáp nhập hố đen trong đợt hoạt động vào mùa thu của LIGO . Nhưng những nhà nghiên cứu đang liên kết dữ liệu thu được với những sự kiện khác – và có lẽ sẽ có những phát kiến xa hơn trước khi dự án tiếp tục một đợt tới. Cụ thể, dự án mang tên Einstein@home đang tìm kiếm những tín hiệu mới cùng với sự giúp đỡ từ các máy tính thuộc về các tình nguyện viên trên toàn thế giới.

Kết luận của người dịch

Việc đo được trực tiếp sóng hấp dẫn đã mang đến mở đầu cho kỷ nguyên mới của thiên văn học sóng hấp dẫn. Trước khi có phát hiện này, các nhà thiên văn vật lý và vũ trụ học có thể thực hiện các quan sát dựa trên bức xạ điện từ, và các thực thể hạt vi mô. Các miền phổ này có những giới hạn nhất định – không phải vật thể nào cũng phát ra ánh sáng và những bức xạ khác, và các bức xạ này có thể bị che khuất đằng sau những vật thể khác. Sóng hấp dẫn có thể khắc phục nhược điểm này, mang đến cho chúng ta những thông tin về quá trình tiến hóa sao, giúp kiểm chứng thuyết tương đối rộng, bên cạnh đó, sẽ tác động sâu sắc đến hoạt động nghiên cứu vũ trụ học trong tương lai.