Sóng hấp dẫn được Albert Einstein dự đoán tồn tại trên cơ sở thuyết tương đối tổng quát cách đây đúng một thế kỷ (1916). Từ đó đến nay nhiều nỗ lực đã được thực hiện để ghi nhận sóng hấp dẫn một cách trực tiếp nhưng đều thất bại. Mới đây Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) tại Hoa Kỳ đã tuyên bố ghi nhận được sóng hấp dẫn phát ra từ sự sáp nhập của hai lỗ đen ở một vị trí cách chúng ta khoảng hơn một tỉ năm ánh sáng. Đây là phát hiện mang tính đột phá kép bởi nó lần đầu tiên khẳng định một cách trực tiếp sự tồn tại của sóng hấp dẫn và sự sáp nhập của hai lỗ đen.
Sóng hấp dẫn là gì?
Theo thuyết tương đối của Albert Einstein, không gian và thời gian tạo thành một thể thống nhất gọi là không-thời gian. Sóng hấp dẫn là những gợn của độ cong không-thời gian lan truyền từ vật có khối lượng ra ngoài không gian. Khi vật thể chuyển động độ cong không-thời gian thay đổi và khi vật chuyển động có gia tốc độ cong này lan truyền ra không gian bên ngoài với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng (như tốc độ của sóng điện từ). Sóng hấp dẫn đặt ra giới hạn về tốc độ truyền tương tác của vật lý, không giống như thuyết hấp dẫn của Isaac Newton cho rằng tốc độ truyền tương tác là vô hạn, tức là tương tác giữa hai vật nặng xảy ra một cách tức thì. Trước đó, năm 1974, các nhà khoa học đã thu được bằng chứng không trực tiếp về sự tồn tại của sóng hấp dẫn từ nghiên cứu tốc độ suy giảm chu kì quay của một hệ hai sao xung PSR 1913+16. Giải Nobel Vật lý Năm 1993 được trao cho Russell A. Hulse và Joseph H. Taylor Jr. cho khám phá này. Tương tự như vậy, sự tồn tại của lỗ đen đã được chứng minh tồn tại một cách gián tiếp từ rất nhiều quan sát khác nhau sử dụng bức xạ điện từ phát ra bởi vật chất bao quanh lỗ đen nhưng cho đến nay, cũng như sóng hấp dẫn, chưa có bằng chứng nào được ghi nhận tín hiệu do lỗ đen trực tiếp tạo nên.
Hình 1. Mô phỏng sóng hấp dẫn sinh ra bởi một hệ sao neutron (Wikipedia).
LIGO ghi nhận sóng hấp dẫn như thế nào?
LIGO trị giá 620 triệu đô la là đài quan sát sóng hấp dẫn lớn nhất trên thế giới và là một trong những thí nghiệm phức tạp nhất trên thế giới. Đài quan sát bao gồm hai giao thoa kế laser khổng lồ, giống hệt và được đặt cách nhau hơn 3000 km tại Livingston, Lousiana và Hanford, Washington. LIGO được các nhà khoa học từ Viện Công nghệ California (Caltech) và Viện Công nghệ Massachusette (MIT) đề xuất xây dựng vào năm 1992 và do Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ tài trợ. Hiện có hơn 1000 nhà khoa học đến từ 16 nước tham gia dự án. LIGO sử dụng tính chất vật lý của ánh sáng và tính chất của bản thân không gian để ghi nhận sóng hấp dẫn – một phương pháp được đề xuất vào những năm đầu của thập niên 60. Đầu những năm 2000, có nhiều hệ giao thoa kế được xây dựng để nghiên cứu sóng hấp dẫn trong đó nổi bật là hệ TAMA 300 tại Nhật Bản, GEO 600 tại Đức, LIGO tại Hoa Kỳ và Virgo tại Ý. Trong giai đoạn từ 2002 đến 2011 các đài quan sát này cùng kết hợp với nhau để thực hiện quan sát sóng hấp dẫn nhưng không phát hiện được nguồn phát nào. Sau khi trải qua một cuộc nâng cấp lớn, năm 2015 các cảm biến của LIGO bắt đầu hoạt động với tên gọi mới LIGO Cao cấp (Advanced LIGO) với độ nhạy chung của toàn hệ thống được cải thiện một cách đáng kể so với trước đó.
Hình 2. Sơ đồ mô tả cấu tạo của một đài quan sát LIGO Cao cấp. Bản đồ nhỏ trong hình mô tả vị trí và hướng của hai đài quan sát LIGO có màu đỏ và xanh tương ứng.
Một giao thoa kế của LIGO bao gồm hai “cánh tay” (mỗi cánh là một đường ống hình trụ dài 4 km có độ chân không siêu cao) được đặt vuông góc với nhau (Hình 2). Người ta chiếu một chùm tia laser vào hệ, tia này được chia làm hai nhờ một gương bán mạ (Beam Splitter) chạy dọc theo mỗi cánh tay. Các tia laser được phản xạ trên các gương đặt tại hai đầu cánh tay gắn trên các trọng vật (Test Mass). Ánh sáng sau khi phản xạ trên các gương đi ra khỏi hệ, giao thoa với nhau và được thu nhận bởi cảm biến ánh sáng (Photodetector). Khi không có sóng hấp dẫn đi vào, quãng đường chuyển động (hay quang trình) của hai tia sáng ở hai cánh tay là như nhau (tương đương với hiệu quang trình bằng 0) nên tín hiệu giao thoa của chúng bằng không. Khi có sóng hấp dẫn đi qua, vùng không gian đặt giao thoa kế bị dãn hoặc nén, các trọng vật của giao thoa kế bị tác động khiến khoảng cách giữa chúng dài ra hoặc ngắn lại một cách luân phiên, hệ quả là, thời gian các tia laser chuyển động trong các cánh tay trở nên khác nhau −đồng nghĩa với việc các tia này không còn đồng pha với nhau nữa và do đó tạo ra các vân giao thoa được thu nhận trên cảm biến ánh sáng (Photodetector). Đây là lý do tại LIGO được gọi là “giao thoa kế”.
Sự khác biệt về khoảng cách giữa các gương tỉ lệ với cường độ sóng hấp dẫn đi qua. Sự khác biệt này, được gọi là độ căng sóng hấp dẫn (gravitational-wave strain), nhỏ một cách khó có thể tưởng tượng nổi. Đây chính là nguyên nhân chính khiến cho việc ghi nhận sóng hấp dẫn khó khăn đến như vậy. Một sóng hấp dẫn phổ biến mà chúng ta có thể ghi nhận được, độ nén có giá trị nhỏ hơn 10.000 lần kích cỡ của hạt proton (~10−15 m)!
Sự thành công của LIGO là sự kết hợp của ý tưởng xuất chúng đổi mới về nguyên tắc hoạt động sử dụng hiện tượng giao thoa ánh sáng và những nghiên cứu tạo nên sự đột phá trong công nghệ. Bên cạnh việc xây dựng những đường ống hình trụ chân không lớn nhất trên thế giới (để các tia laser không va chạm với không khí trong khi truyền), tạo ra các gương có độ chính xác cao nhất trên thế giới, các nhà khoa học và kỹ sư của LIGO đã phát minh ra các hệ thống con lắc treo gương cân bằng tự động tạo nên sự ổn định vị trí cao, đồng thời họ cũng thiết kế và chế tạo ra hàng loạt các cảm biến giám sát nhiễu. Có nhiều loại nhiễu do nội tại thiết bị hay do rung động gây ra bởi các phương tiện giao thông, hoạt động chặt gỗ, sóng biển (mặc dù nó có thể cách xa hàng nghìn kilômét), bão gió, động đất, hoạt động núi lửa,… Cụ thể, LIGO được trang bị một loạt các cảm biến giám sát rung động, gia tốc và từ trường, các bộ ghi nhận vô tuyến, cảm biến thời tiết, hệ theo dõi độ ổn định của đường điện và cảm biến tia vũ trụ. Số liệu thu nhận được đồng bộ hoá nhờ thời gian cung cấp bởi Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) với độ chính xác nhỏ hơn 10 µs. Độ chính xác thời gian được giám sát bởi một đồng hồ nguyên tử và một bộ nhận GPS thứ cấp tại mỗi đài quan sát.
Với thiết kế như vậy LIGO là thiết bị có độ nhạy tốt nhất hiện nay trên thế giới, có khả năng phân biệt được những tín hiệu thật với các nhiễu. Ngoài ra, LIGO có đến hai hệ cảm biến đặt tại hai địa điểm cách xa nhau hơn 3000 km cho phép phân biệt được một sự kiện ghi nhận được là sự kiện thiên văn hay cục bộ từ thiết bị hay môi trường: chỉ có tín hiệu sóng hấp dẫn thực sự mới xuất hiện đồng thời ở cả hai hệ cảm biến đặt cách xa nhau đến như vậy. Tất nhiên, thiết bị tốt cũng phải đi kèm với hiểu biết về dạng tín hiệu mong đợi, thường có hình dạng khác với hình dạng của tín hiệu tạo ra bởi nhiễu.
Sự kiện sóng hấp dẫn đầu tiên tại LIGO và ý nghĩa của nó
Một thời gian không lâu sau khi LIGO hoàn thành việc nâng cấp, vào hồi 09:50:45 GMT ngày 14/9/2015 cả hai Đài quan sát LIGO tại Hanford và Livingston đều ghi nhận được tín hiệu sóng hấp dẫn, hiện nay được gọi chính thức là GW150914. Đầu tiên, tín hiệu được xác định bởi phương pháp phân tích thô sử dụng để tìm những vân giao thoa tạo bởi sóng hấp dẫn một cách nhanh nhất, khi đó những chi tiết chính xác của dạng sóng đến vẫn chưa được biết. Hệ thống thông báo có tín hiệu sóng đến các cảm biến trong một khoảng thời gian kéo dài chỉ trong khoảng 3 phút. Tín hiệu ban đầu yếu, sau đó cường độ và tần số tăng dần sau đó tắt hẳn; dạng tín hiệu giống nhau ở cả hai đài quan sát (Hình 3).
Hình 3. Sự kiện sóng hấp dẫn GW150914 ghi nhận được bởi các cảm biến LIGO Hanford (H1, hình trái) và LIGO Livingston (L1, hình phải). Hình biểu diễn độ nén sóng hấp dẫn trong các bộ cảm biến theo cả thời gian (giây) và tần số (Hz).
Tiếp sau đó, tín hiệu được sử dụng để so sánh với những dự đoán lý thuyết để tìm ra dạng sóng phù hợp nhất. Hình 4 chỉ ra kết quả chính của những phân tích đã được thực hiện. Tất cả những kết quả thu được đều khẳng định GW150914 được tạo ra bởi sự sáp nhập của hai lỗ đen. Các trường hợp va chạm khác như của hai sao neutron, một sao neutron và một lỗ đen đã được xem xét và loại trừ. Hình 4 cho thấy sự phù hợp một cách hết sức ấn tượng giữa tín hiệu ghi nhận được (dải màu nâu) và dự đoán lý thuyết (màu đỏ) từ sự sáp nhập của hai lỗ đen dựa trên thuyết tương đối tổng quát.
Hình 4. Kết quả chính phân tích GW150914. So sánh độ nén sóng hấp dẫn ghi nhận được với dự đoán dạng sóng phù hợp nhất được tính từ thuyết tương đối tổng quát, trải qua ba giai đoạn: hai lỗ đen chuyển động xoắn với nhau, sáp nhập và hoà nhập.
Phần trên của Hình 4 mô tả quá trình va chạm của hai lỗ đen tại các thời điểm khác nhau và tín hiệu mà chúng tạo ra tương ứng (phần giữa): đầu tiên hai lỗ đen chuyển động xoắn tiến lại gần nhau (Inspiral); sau đó sáp nhập (Merger) và cuối cùng hoà nhập thành một (Ringdown), lỗ đen mới hình thành dao động một chút rồi trở nên im lặng hoàn toàn.
So sánh số liệu với lý thuyết cho phép tập thể các nhà khoa học của LIGO kiểm tra liệu thuyết tương đối tổng quát có thể hoàn toàn mô tả sự kiện này hay không. Thử nghiệm đã thành công rực rỡ: tất cả các quan sát của LIGO đều phù hợp với dự đoán của thuyết tương đối tổng quát. Số liệu thực nghiệm được sử dụng để ước tính những đặc điểm vật lý của hệ hai lỗ đen tạo ra sự kiện GW150914. Kết quả cho thấy GW150914 được tạo bởi hai lỗ đen có khối lượng khoảng 36 lần và 29 lần khối lượng mặt trời và lỗ đen sau khi sáp nhập khoảng 62 lần khối lượng mặt trời. Hơn nữa, kết quả chỉ ra rằng lỗ đen mới hình thành đang ở trạng thái quay −lỗ đen quay được nhà toán học Roy Kerr lần đầu tiên dự đoán tồn tại trên lý thuyết vào năm 1963. Cuối cùng, phân tích cho thấy GW150914 xảy ra cách chúng ta khoảng 1,3 tỉ năm ánh sáng. Như vậy các cảm biến của LIGO đã quan sát được một sự kiện thực sự đặc biệt xảy ra rất lâu trong quá khứ tại một thiên hà xa xôi.
Nếu chúng ta so sánh khối lượng của các lỗ đen trước và sau khi sáp nhập, ta thấy rằng vụ sáp nhập đã biến đổi khoảng 3 lần khối lượng mặt trời (khoảng 6×1030 kg) thành năng lượng sóng hấp dẫn, phần lớn năng lượng này được phát ra trong khoảng thời gian rất ngắn, một phần của giây. Thực tế, công suất phát sóng hấp dẫn của GW150914 lớn hơn mười lần độ sáng của tất cả các ngôi sao và thiên hà trong toàn Vũ trụ kết hợp lại.
Sự kiện sóng hấp dẫn GW150914 đã được phân tích một cách cẩn thận và được đăng trên tạp chí Physical Review Letter ngày 11/2/2016. Như vậy, các nhà khoa học của LIGO đã bỏ ra năm tháng để kiểm tra từng chi tiết nhỏ để đảm bảo sự chắc của kết quả. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử, con người ghi nhận được sự sáp nhập của hai lỗ đen, qua đó khẳng định trực tiếp sự tồn tại của chúng và sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Vậy là, câu hỏi đặt ra cách đây đúng một thế kỷ về sự tồn tại của sóng hấp đã được trả lời. Khám phá này mở ra một chương mới cho ngành thiên văn học hiện đại. Vũ trụ sẽ được quan sát bởi một công cụ mới đó là sóng hấp dẫn mà trước đây chúng ta không tiếp cận được. Trong tương lai gần, độ nhạy của các cảm biến ghi nhận sóng hấp dẫn sẽ tiếp tục được cải thiện. Những sự kiện trong Vũ trụ phát ra sóng hấp dẫn với cường độ lớn như: va chạm hoặc sáp nhập của sao neutron hoặc lỗ đen, bùng nổ siêu cao của các sao nặng (tạo nên sao neutron hoặc lỗ đen), sao neutron hút vật chất từ sao đồng hành, sự quay của sao neutron với lớp vỏ bị biến dạng, hay tàn dư của bức xạ hấp dẫn tạo nên khi Vũ trụ mới được hình thành sẽ được ghi nhận và nghiên cứu.
TS. Phạm Ngọc Điệp
Phòng Vật lý thiên văn và Vũ trụ
Trung tâm Vệ tinh Quốc gia
Tài liệu tham khảo: Công bố khám phá của LIGO Phys. Rev. Lett. 116, 061102
