Sóng hấp dẫn đã được phát hiện ra như thế nào?

Một ít lịch sử

SHD là vấn đề cơ bản đã được giới vật lý quan tâm 100 năm nay từ khi thiên tài Einstein tiên đoán sự tồn tại của nó. Song chính Einstein cũng không tin lắm rằng chúng ta có thể ghi đo được tín hiệu  SHD. Tuy nhiên giới vật lý không ngừng suy nghĩ tìm cách ghi đo  SHD.

Trước hết phải kể đến các công trình lý thuyết của John Wheeler, người đầu tiên đưa ra danh từ lỗ đen, sau đó Robert Dicke đã thiết kế một số thực nghiệm nhằm kiểm nghiệm GR (General Relativity – Lý thuyết tương đối tổng quát Einstein), nhiều cộng tác viên của Dicke hiện nay là lãnh đạo tại LIGO.

Sau đó trong những năm 1970 và 1980, Joseph Taylor (Princeton) và Russel Hulse phát hiện ra pulsar quay một sao neutron và chứng minh rằng pulsar mất dần năng lượng dưới dạng SHD. Hai nhà khoa học này được giải Nobel Vật lý năm 1993.

Người đầu tiên suy nghĩ đến vấn đề ghi đo SHD là GS Joe Weber (Đại học Maryland , College Park). Thiết bị của ông là một ăng-ten cộng hưởng (resonant bar antenna) có hình một hình trụ bằng nhôm (aluminium) hoạt động như một cái chuông có khả năng khuếch đại SHD. Khi SHD đi vào thiết bị thì thiết bị sẽ dao động và những sensor quanh thiết bị sẽ biến các dao động đó thành tín hiệu điện.

Tháng sáu năm 1969, Weber thông báo đã ghi đo được một tín hiệu nào đó song nhiều người nghi ngờ kết quả và đến năm 1974 thì các nhà vật lý đều kết luận là Weber không ghi đo được SHD.

Tiếp theo BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) là thí nghiệm đặt tại Nam cực thực hiện với kỳ vọng tìm sóng hấp dẫn nguyên thủy.

Như chúng ta đã biết, Bicep2 đã thông báo ngày 17/tháng 3/2014 về việc tìm thấy những tín hiệu đầu tiên của sóng hấp dẫn SHD (và lạm phát vũ trụ). Song những dữ liệu do Planck cung cấp lại cho ta thấy rằng kết quả của Bicep2 đã gây nên nghi vấn liệu tín hiệu ghi đo bởi Bicep2 có thật sự thuộc về CMB (Cosmic Microwave Background) hay đó là thuộc bụi Thiên hà (Galaxy interstellar dust) nằm trên phông (foreground) tức là thuộc về những giai đoạn sau này trong lịch sử vũ trụ.

Sau đó, BICEP2 đã hợp tác cùng với PLANCK là dự án của ESA (European Space Agency) với thiết bị do hai tập đoàn của ESA và Đan mạch cung cấp, có sự tham gia của NASA để tiếp tục công việc nghiên cứu.

Giữa dòng lịch sử đó, năm 1994, người ta bắt đầu xây dựng đài quan sát LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Đài quan sát SHD giao thoa kế laser), được tài trợ bởi Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ (National Science Foundation).

LIGO là ý tưởng mới dựa trên các tính chất của ánh sáng và của bản thân không thời gian. Các tác giả có nhiều đóng góp nhất là:

Rainer Weiss (MIT – Massachusetts Institute of Technology), Kip Thorne (Caltech – California Institute of Technology) và Ronald Drever (Caltech).

Weiss (người đưa ra ý niệm về LIGO) và Drever là hai nhà vật lý thực nghiệm đã góp công sức nhiều trong những sáng chế tài tình làm giảm thiểu tiếng ồn và làm gia tăng độ nhạy của LIGO đưa LIGO đến mức hiện đại hiện nay.

Thorne là nhà vật lý lý thuyết nghiên cứu lỗ đen và cơ chế các lỗ sâu đục (wormhole) trong không thời gian mở đường cho du hành trong thời gian.

Theo giới vật lý, ba nhân vật này có hy vọng nhận giải Nobel Vật lý trong năm nay.

Tại LIGO còn có hơn 1.000 nhà khoa học làm việc.

2001 – LIGO bắt đầu hoạt động

2010 – LIGO ngừng hoạt động 5 năm để nâng cấp

2015 – LIGO khởi động lại ( dưới tên Advanced LIGO-aLIGO)

Cuối cùng ngày 11 tháng 2/2016 David Reitze, Giám đốc điều hành của LIGO công bố kết quả: “Chúng tôi đã ghi đo được SHD”.

Hai sự kiện cùng xảy ra tương quan với nhau: phát hiện lần đầu tiên SHD (sóng hấp dẫn) và việc quan sát sự va chạm rồi sau đó kết hợp hai lỗ đen thành một lỗ đen.

Sự cố mang tính tai biến gây nên tín hiệu SHD được đặt ký hiệu là GW150914 đã xảy ra ở một thiên hà xa xôi cách xa trái đất hơn 1 tỷ năm ánh sáng. Tín hiệu được ghi đo ngày 14 tháng 9/2015 bởi hai thiết bị LIGO

Hai thiết bị LIGO ước tính công suất bức xạ của SHD phát ra khi hai lỗ đen va chạm và kết hợp thành một là khoảng mười lần lớn hơn công suất các ánh sáng từ các sao và các thiên hà trong vùng quan sát được của vũ trụ.

Sự phát hiện SHD sẽ viết nên một trang sử mới thiên văn học: một cửa sổ mới là cửa sổ SHD ra vũ trụ đã được mở.

Lý thuyết Einstein

Trong GR của Einstein, trường hấp dẫn được biểu diễn bởi độ cong của không thời gian. Không thời gian được hình dung như một tấm lưới vải (fabric). Nếu đặt lên đó một vật có khối lượng thì tấm lưới sẽ bị lõm xuống (xem hình 1).

Hình 1. Hấp dẫn tạo nên bởi độ cong của không thời gian

SHD là những “vết nhăn” trong không thời gian tạo ra bởi những sự cố dữ dội trong vũ trụ, ví dụ va chạm và sáp nhập của những sao lớn. Sự tồn tại của SHD đã được Eintein tiên đoán năm 1916 khi ông chứng minh rằng  các vật thể có khối lượng và gia tốc đều làm rung chuyển không thời gian đến mức mà các sóng của không thời gian bị nhiễu loạn sẽ bức xạ từ nguồn đó.

Khi SHD đi qua một vùng nào đó thì không thời gian  sẽ bị kéo dài hay co lại  (xem hình 2).

Hình 2.  SDH phát sinh ví dụ từ vụ sáp nhập hai lỗ đen có thể ghi đo lại được nhờ hiệu ứng kéo dãn (bên trái) và co lại (bên phải) của không thời gian.

Những vết nhăn đó lan truyền với tốc độ ánh sáng trong vũ trụ mang theo thông tin về nguồn sự cố và đồng thời cho ta biết mối liên quan vô giá của hấp dẫn với vũ trụ.

Muốn thấy rằng vết nhăn đó lan truyền với tốc độ ánh sáng ta có thể nhìn lại các phương trình Einstein. Để đơn giản hóa vấn đề ta xuất phát từ phương trình Einstein (trong chân không):

 với  =0

Bây giờ viết metric dưới dạng

trong đó

=nhiễu loạn nhỏ của metric. Từ đó các tác giả [2] chứng minh rằng

Đó là phương trình sóng. Vậy sóng hấp dẫn lan truyền trong không gian với vận tốc c.

Các nhà vật lý cho rằng hấp dẫn được chuyển tải bởi hạt graviton. Giống như photon graviton không có khối lượng tương hợp với điều SHD lan truyền với vận tốc ánh sáng.

Cùng năm khi Einstein tiên đoán SHD, nhà vật lý Karl Schwarzschild chứng minh rằng phương trình Einstein cho phép sự tồn tại của lỗ đen: những vật thể kỳ lạ có mật độ cao và côm-pắc đến nổi  ánh sáng cũng không thoát khỏi trọng trường của nó.

Làm sao ghi đo được SHD?

Để ghi đo được SHD, các nhà vật lý đưa ra ý tưởng sử dụng tính chất của ánh sáng và tính chất của bản thân không thời gian trong thiết kế các giao thoa kế laser.

LIGO là một đài quan sát SHD lớn nhất  và hiện đại nhất trên thế giới. LIGO gồm 2 cơ sở cách nhau hàng ngàn km, một được xây dựng tại Livingston, Louisiana, một tại Hanford, Washington. Đó là những giao thoa kế laser khổng lồ mà nhận thức thiết kế được hình thành  từ  những năm 1960 & 1970.

Nhiều giao thoa kế như thế cũng được xây dựng trên thế giới: KAGRA ở Nhật, GEO600 ở Đức, VIRGO ở Ý.

Mô tả LIGO

Hình 3. Sơ đồ đơn giản hóa của LIGO

Hình 4. LIGO chụp từ trên không

Một giao thoa kế như LIGO gồm hai “cánh tay”, mỗi cánh dài 4km và thẳng góc với nhau ( xem hình 3&4).Một thiết bị phân tách tia laser thành hai.Dọc theo mỗi cánh tay sẽ có một tia laser truyền đi rồi phản hồi về hộp ghi đo nhờ các gương phản chiếu đặt tại cuối cánh tay. Khi có một SHD đi qua thì sự kéo dãn và co lại của không thời gian sẽ làm cho một cánh tay của giao thoa kế  liên tiếp bị kéo dài ra rồi co ngắn lại còn cánh tay kia thì  ngược lại.

Bởi vì các cánh tay của giao thoa kế thay đổi độ dài cho nên tia laser cần những thời gian khác nhau để lan truyền qua các cánh tay –điều đó có nghĩa là các tia laser không còn đồng pha  và một bức tranh giao thoa được hình thành. Cũng vì thế mà ta gọi LIGO là những giao thoa kế.

Khi không có tín hiệu SHD hai cánh tay của LIGO có độ dài bằng nhau. Các tia laser phản hồi lại máy ghi đo đồng pha và triệt tiêu nhau: LIGO không ghi được tín hiệu nào (xem hình 5).

Hình 5. Trường hợp không có tín hiệu

1/ Một tia laser bị tách làm đôi, mỗi tia lan truyền trong một cánh tay (hai cánh tay thẳng góc với nhau – mỗi cánh dài 4km) 

2/ Các gương phản chiếu tia laser về máy ghi đo

3/ Khi quay về máy ghi đo hai tia laser là đồng pha 

4/ Các sóng triệt tiêu nhau và không có tín hiệu nào được ghi đo.

Lúc có SHD đi qua, hai cánh tay của LIGO bị kéo dài và co ngắn lại, tia laser phản hồi lại máy ghi đo không còn cùng pha nữa và LIGO ghi được tín hiệu giao thoa (xem hình 6)

Hình 6. Trường hợp có tín hiệu

1/ Khi có SHD đi qua một cánh tay dài ra và một cánh tay ngắn lại

2/ Vì độ dài các cánh tay khác nhau nên các tia laser phản hồi không còn đồng bộ

3/ Các sóng không triệt tiêu nhau và máy ghi đo ghi được tín hiệu giao thoa,

Hiệu số độ dài giữa hai cánh tay tỷ lệ với hiệu lộ trình (gravitational-wave strain ) của tia laser. Đối với SHD hiệu số này là một số rất nhỏ khoảng 1/10000 bề rộng của một proton.

Sở dĩ người ta cần đến hai LIGO (sau khi được nâng cấp thì LIGO có tên là aLIGO-Advanced LIGO) để loại đi các nhiễu loạn ngoại lai: chỉ có một tín hiệu SHD mới gây được hình ảnh giao thoa trên cả hai LIGO vốn cánh xa nhau hàng ngàn km, khoảng cách này SHD chỉ vượt qua trong vòng một phần ngàn giây.

Các tín hiệu ghi được

Hình 7. Phần trên hình vẽ biểu diễn hiệu lộ trình qua các giai đoạn khác nhau: hai lỗ den quay quanh nhau, đến gần nhau và cuối cùng kết hợp làm một.

Phần dưới biểu diễn vận tốc tương đối (đơn vị c) và khoảng cách giữa hai lỗ đen (đơn vị bán kính lỗ đen). Thời gian đo bằng giây.

Những kết quả của LIGO cho thấy rằng GW150914 đã được tạo nên bởi sự sáp nhập của hai lỗ đen với khối lượng 36 và 29 lần khối lượng mặt trời và lỗ đen tổng hợp cuối cùng có khối lượng khoảng 62 lần khối lượng mặt trời. Lỗ đen cuối cùng là một lỗ đen quay – những lỗ đen quay đã được tiên đoán bởi nhà toán học Roy Kerr năm 1963. Theo kết quả của LIGO thì GW150914 đã xảy ra ở khoảng cách hơn một tỷ năm ánh sáng.

Các tác giả LIGO sau khi so sánh khối lượng các lỗ đen trước sáp nhập và khối lượng lỗ đen cuối cùng đã ước tính sự sáp nhập này đã tạo nên một bức xạ SHD bằng ba lần khối lượng mặt trời (khoảng sáu triệu tỷ tỷ kg). Như vậy công suất bức xạ này là mười lần lớn hơn công suất bức xạ của các sao và thiên hà trong vùng quan sát được của vũ trụ

Độ chính xác của LIGO được đánh giá là hơn “5-sigma” (có nghĩa có ít 230 lỗi – hay sai só t- trên mỗi một triệu khả năng gây lỗi).
                                                      
Về mặt âm thanh

Các nhà khoa học đã nghe được âm thanh khi hai lỗ đen hợp nhất thành một trong khoảng thời gian 1/5 giây. Mặc dầu SHD không phải là sóng âm song  tần số xảy ra lúc va chạm ở những milli-giây cuối cùng khi hai lỗ đen cách nhau vài km rồi đến gần nhau là một tần số nghe được, vì vậy có thể biến (convert) sóng thành dạng âm thanh. Deirde Shoemaker cộng tác viên trong LIGO đã phát biểu như thế.

Như vậy các nhà khoa học vừa nghe được “âm thanh” của sự cố vừa nhìn được “ánh sáng” của sự cố.

Hình 8. Âm thanh chuyển biến (converted) của tín hiệu GW150914

Có chắc đây là sự hợp nhất của hai lỗ đen?

Tại sao ta có thể tin rằng tín hiệu LIGO đo được là do hai lỗ đen đến gần và sáp nhập với nhau? 

Những sự cố khác trong vũ trụ cũng có thể gây nên SHD là [4]: 

1/ Sự va chạm của hai dây vũ trụ

Dây vũ trụ là những khuếch tật topo hình thành lúc có chuyển pha phá vỡ đối xứng ở những thời kỳ sớm của vũ trụ khi topo của chân không gắn liền với đối xứng đó  không đơn liên (not simply connected). Người ta ước tính có một dây vũ trụ trong một thể tích Hubble. Người đưa ra lý thuyết đầu tiên về dây vũ trụ là Tom Kibble năm 1970. 

Sự va chạm dây vũ trụ có thể làm phát sinh những vòng dây kín và quá trình này cũng phát ra SHD

2/ Sự hợp nhất của hai sao neutron

Hai sao neutron có thể quay quanh nhau và có thể hợp nhất. Song kịch bản này sẽ khác kịch bản hợp nhất của hai lỗ đen. Hai sao neutron có thể hợp nhất thành một sao neutron lớn hoặc tức thì co lại thành một lỗ đen.

3/ Sự bùng nổ của siêu tân tinh

Sự bùng nổ các siêu tân tinh (type II) cũng gây ra SHD.

LIGO đã loại tất cả các khả năng trên. LIGO ghi đo được SHD từ sự sáp nhập của hai lỗ đen và đồng thời cũng chứng minh được sự tồn tại của lỗ đen. Trước đây người ta chỉ ghi nhận được sự tồn tại của lỗ đen bằng cách nghiên cứu cách hành xử của những vật thể như sao và khí chung quanh lỗ đen mà chưa quan sát trực diện được lỗ đen.

LIGO khảo sát tỷ mỷ các khối lượng của hai đối tượng trước lúc xảy ra quá trình hợp nhất ,vận tốc các lỗ đen và khoảng cách giữa chúng trong các giai đoạn và cuối cùng có đủ cơ sở mạnh mẽ khẳng định rằng ở đây là trường hợp của hai lỗ đen. Kết quả được ghi trên hình 7.

Đơn vị vận tốc là vận tốc ánh sáng. Khoảng cách tính theo bán kính Schwarzschild – tức bán kính đặc trưng của lỗ đen. Hình 7 cho ta thấy hai lỗ đen cách nhau vài trăm km trước lúc hợp nhất và tần số SHD lúc bấy giờ là vào khoảng 150 Hz: chỉ có lỗ đen mới có thể đến gần nhau như thế mà chưa bị hợp nhất thành một. Nếu đó là một cặp sao neutron ta không có khối lượng lớn như vậy ngoài ra sự hợp nhất thành một lỗ đen của cặp sao neutron phải xảy ra ở tần số thấp hơn 150 Hz.

Ở đây phải nhắc đến một chìa khóa thành công của LIGO là các tính toán lý thuyết năm 2005 của Frans Pretorius (Đại học Princeton), khi giải những phương trình của Einstein để vẽ nên bức tranh điều gì sẽ xảy ra khi hai lỗ đen quay quanh nhau rồi hợp nhất với nhau thành một lỗ đen. Nhũng kết quả tính toán của Pretorius đã tạo nên một khuôn mẫu (template) để LIGO đoán nhận được chính xác các kết quả thực nghiệm.

Có thể nói những kết quả của LIGO thật sự ứng với trường hợp hợp nhất của hai lỗ đen sau khi quay quanh gần nhau.

Kết luận 

Sự phát hiện SHD của LIGO là trang mở đầu của những chương thiên văn học sử dụng SHD. Những thập kỷ tiếp theo sẽ là thời gian để kiểm nghiệm lại kết quả bằng cách sư dụng các giao thoa kế khác: VIRGO ở Ý. KAGRA ở Nhật  và có thể LIGO thứ ba ở Ấn độ. Trước đây ta chỉ có một cửa sổ nhìn ra vũ trụ bằng ánh sáng giờ đây ta cso thêm một của sổ mới nhìn ra vũ trụ bằng sóng hấp dẫn! 

Tương lai của ngành thiên văn học sử dụng SHD (gravitational-wave astronomy) hứa hẹn trở nên rực rỡ hơn bao giờ hết. 

Tài liệu tham khảo

[1]B.P.Abbott et al.,Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, PHYSICAL REVIEW LETTERS,12 FEBRUARY 2016.

https://physics.aps.org/featured-article-pdf/10.1103/PhysRevLett.116.061102 

[2] L.D.Landau & E.M.Liftchitz , Field Theory

[3] Nicola Twilley, Gravitational Waves Exist: The Inside Story of How Scientists Finally Found Them

HTTP://WWW.NEWYORKER.COM/TECH/ELEMENTS/GRAVITATIONAL-WAVES-EXIST-HERES-HOW-SCIENTISTS-FINALLY-FOUND-THEM?MBID=NL_160211_DAILY&CNDID=25983753&SPMAILINGID=8536128&SPUSERID=MTA5MJQWNDE2MDG3S0&SPJOBID=861189416&SPREPORTID=ODYXMTG5NDE2S0 

[4] Davide Castelvecchi,  The discovery of ripples in space-time has vindicated Einstein — but it can also do so much more.

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

[5] ndminhduc, Câu chuyện về SHD:100 năm đi tìm bằng chứng cho dự đoán “hoang đường” của Einstein, tinhte.vn

https://tinhte.vn/threads/cau-chuyen-ve-song-hap-dan-100-nam-di-tim-bang-chung-cho-du-doan-hoang-duong-cua-einstein.2550453/

Đọc thêm:

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