Hành trình đi tìm sóng hấp dẫn và những phát hiện thế giới chưa từng thấy

Giải Nobel Vật lý 2017 được trao cho 3 nhà khoa học vì những khám phá về lực hấp dẫn. Công trình này góp phần xác nhận lý thuyết 100 năm của nhà khoa học thiên tài Alber Einstein. Cùng quay ngược thời gian tìm hiểu về quá trình phát hiện sóng hấp dẫn và xem nó có tác động quan trọng như thế nào đối với khoa học thế giới.

• Giải Nobel Vật lý 2017 được trao cho nghiên cứu về sóng hấp dẫn
• Phát hiện sóng hấp dẫn mới từ hai hố đen va chạm cách chúng ta 3 tỷ năm ánh sáng
• Sóng hấp dẫn có thể là chìa khóa hé lộ sự tồn tại của chiều không gian khác trong vũ trụ

Năm 1916, Karl Schwarzschild, một nhà vật lý người Đức, đã giải các phương trình tensor của Einstein và tìm ra một nghiệm kỳ lạ, theo đó xung quanh các ngôi sao có khối lượng cực lớn có một không quyển kỳ ảo (magical sphere). Tất cả mọi thứ đi vào không quyển này sẽ bị hút vào ngôi sao khổng lồ và không có cách nào thoát ra được, kể cả ánh sáng cũng không ngoại lệ.

Thậm chí, Schwarzschild còn tính toán được bán kính của không quyển kỳ ảo này, gọi là bán kính Schwarzschild hoặc bán kính hấp dẫn (gravitational radius).

Khi Schwarzschild qua đời, ông không hề biết rằng mình phát hiện ra một thứ vô cùng quan trọng mà về sau được John Wheeler đặt tên là Hố Đen (Black Hole). Còn không quyển ma quái mà Schwarzschild tìm ra về sau được các nhà khoa học gọi là Chân trời sự kiện (event hoziron), nghĩa là nơi xa nhất mà tầm mắt của con người có thể quan sát được (sau chân trời là hố đen, nơi mà ánh sáng nếu vươn tới sẽ bị nuốt vào và không bao giờ trở lại).

Cũng năm 1916, nhà khoa học vĩ đại Einstein đề xuất sự tồn tại của một sóng mang lực hấp dẫn lan truyền trong không gian với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng gọi là sóng hẫp dẫn. Bằng cách giải các phương trình của mình, Einstein đã tìm thấy sóng trên lý thuyết và đưa ra dự báo các ngôi sao đôi quay quanh một trục chung sẽ dần sát lại với nhau, đến khi năng lượng mất dần do bị bức xạ vào không gian dưới dạng sóng hấp dẫn chúng sẽ lao vào nhau.

Năm 1936, Einstein và học trò là Nathan Rosen đã sử dụng nghiệm của một hố đen tiêu chuẩn hình bình cổ dài có cổ bình bị cắt ngang và sáp nhập (merge) với một hố đen tương tự nhưng xoay ngược lại. Ngày nay, các nhà vũ trụ học hình dung ý tưởng này như một cổng để kết nối hai vũ trụ khác nhau và được gọi là Cầu Einstein-Rosen hay lỗ sâu đục (wormhole). Nhưng Einstein tin rằng, các lỗ sâu đục có thể tồn tại, nhưng các sinh vật lọt vào miệng hố đen sẽ bị xé xác ngay lập tức bởi lực hấp dẫn.

Năm 1963, Roy Kerr, nhà toán học người Úc tìm được nghiệm chính xác của phương trình Einstein: khi một ngôi sao chết, lực hấp của chính nó khiến nó bị suy sụp vào bên trong, quay nhanh hơn do định luật bảo toàn động lượng và tạo thành một lỗ đen quay.

Nghiệm của Roy Kerr cho thấy việc thông qua lỗ sâu đục để đào thoát tới một không gian khác là hoàn toàn khả thi về lý thuyết: lực ly tâm (hướng ra ngoài) do sự quay của hố đen sẽ cân bằng và triệt tiêu lực hấp dẫn (hút vào), điều này giúp cho các sinh vật rơi vào miệng hố đen sẽ không bị xé tan xác nữa.

Do lỗ đen là vô hình bởi nó hút tất cả ánh sáng vượt qua không quyển kỳ ảo quanh nó nên các nhà thiên văn phải dựa vào các đĩa bồi tích (accretion disk) tạo thành do các khí bồi đắp dần xung quanh hố đen để xác định hố đen.

Mãi tới năm 1994, các bằng chứng rõ ràng về các hố đen siêu nặng ở giữa các thiên hà mới được kính viễn vọng Hubble tìm thấy. Các nhà thiên văn tin rằng, Ngân Hà của chúng ta cũng như hầu hết các thiên hà khác đều có hố đen ở trung tâm. Ngày nay có tới hàng trăm hố đen được phát hiện trong vũ trụ và tất cả chúng đều tự quay rất nhanh quanh chính mình.

Năm 1984, ba nhà khoa học Kip Thorne, Ronald Drever và Rainer Weiss thành lập ủy ban lâm thời để xây dựng dự án LIGO nhằm tìm kiếm sóng hấp dẫn.

Năm 2002, LIGO bắt đầu đi vào hoạt động.

Năm 2015, Advanced LIGO, một phiên bản hiện đại hơn bắt đầu tìm kiếm sóng hấp dẫn.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) - Trạm quan trắc sóng hấp dẫn giao thoa kế laser là một thiết bị khổng lồ hình chữ L gồm hai đường ống dài khoảng 4km nối liền nhau. Trong mỗi ống có một chùm tia laser được chiếu liên tục, hai chùm tia gặp nhau ở góc chữ L. Các nhà khoa học đã tính toán sao cho các sóng laser triệt tiêu nhau và tạo nên vân giao thoa. Do hiện tượng phân cực, hai ống vuông góc với nhau nên chỉ có một ống bị sóng hấp dẫn đập vào. Khi đó, chiều dài ống này sẽ bị co giãn khác với ống còn lại, gây ra nhiễu loạn phá vỡ cân bằng của hai chùm laser, và làm mất các vân giao thoa.

Hai trạm LIGO tại Livingston và Hanford (Mỹ).

Theo tính toán, LIGO có thể phải chờ đợi từ 1 đến 1000 năm để phát hiện sự va chạm của hai hố đen cách Trái Đất 300 triệu năm ánh sáng. Rất may mắn, sau khi được sửa chữa nâng cấp vài tiếng sau Advance LIGO đã phát hiện được sự va chạm của hai hố đen cách Trái Đất 1.3 tỷ năm ánh sáng.

Sóng hấp dẫn cũng có biên độ, tần số, bước sóng và tốc độ như các loại sóng khác. Tốc độ của sóng hấp dẫn bằng tốc độ ánh sáng, tần số của chúng rất thấp nên bước sóng rất dài và truyền tải ít năng lượng. Do vậy rất khó bắt được sóng hấp dẫn.

Ở một thiên hà rất xa xôi, từ 1.3 tỷ năm trước, có hai hố đen bị dính vào một quỹ đạo xoắn ốc, rồi ở khoảnh khắc cuối cùng chúng đâm sập vào nhau với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Một hố đen mới được tạo ra sau vụ va chạm này. Nó nặng bằng 62 lần khối lượng Mặt Trời và phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ bức xạ vào vũ trụ chỉ trong trong chỉ khoảng 1 phần 10 giây khiến không gian và thời gian xung quanh vụ va chạm bị biến dạng trong chớp mắt. Do vụ va chạm xảy ra giữa hai lỗ đen, nên năng lượng phát ra là sóng hấp dẫn chứ không phải là sóng ánh sáng.

Sóng hấp dẫn này truyền đi và khiến co giãn không gian khi nó đi qua. Đây chính là không gian - thời gian trong vũ trụ của Einstein.

Ngày 11/2/2016, các nhà khoa học của LIGO công bố họ đã dò tìm được sóng từ một vụ sáp nhập cách chúng ta 1.3 tỷ năm ánh sáng, đó chính là sóng hấp dẫn.

Ngày 15/6/016, lần thứ hai LIGO công bố dò được sóng hấp dẫn từ một vụ sáp nhập hố đen cách Trái Đất 1.4 tỷ năm ánh sáng.

Phát hiện sóng hấp dẫn của LIGO đã chứng minh Einstein tiếp tục đúng ở khía cạnh lực hấp dẫn trong Thuyết tương đối rộng của ông. Lần đầu tiên sóng hấp dẫn được chứng minh với bằng chứng thực nghiệm của một hiện tượng xảy ra bên ngoài hệ Mặt Trời.

Phát hiện sóng hấp dẫn của LIGO lần đầu tiên giúp khoa học chứng minh trực tiếp bằng thực nghiệm được sự tồn tại của một cặp hố đen, vốn chỉ tồn tại trên lý thuyết. Từ những dữ liệu LIGO đo được, các nhà khoa học đã khám phá khối lượng của hố đen, vận tốc quỹ đạo, và thời điểm hai hố đen đâm vào nhau. Họ hy vọng, những dữ liệu này còn giúp giải thích quá trình hình thành của các hố đen siêu nặng ở tâm các thiên hà.