By Loren Grush on February 11, 2016 10:32 am (http://www.theverge.com/)

Các nhà khoa học nói rằng họ đã chứng minh được sự tồn tại của các sóng hấp dẫn - những gợn sóng trong không - thời gian phát sinh từ sự chuyển động của các vật thể trong Vũ trụ. Nếu đúng như thế thì đây là lần đầu tiên các sóng này được đo đạc trực tiếp và sự kiện này đánh dấu một trong các khám phá khoa học lớn nhất trong nhiều thập kỷ qua. Tuy nhiên vẫn còn nhiều cảnh báo sai lầm trước đó.

Khám phá này được thực hiện bởi một nhóm nghiên cứu lớn trong dự án hợp tác khoa học LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Ngày 14/9/2015, các đài thiên văn của LIGO đã thu thập được các tín hiệu sóng đến từ các lỗ đen đã hòa nhập vào nhau từ 1,3 tỉ năm trước. 

Các lỗ đen quay quanh nhau một vài lần trong một giây trước khi trộn vào nhau trong một vụ nổ lớn - một quá trình tạo ra các sóng hấp dẫn khổng lồ. Các sóng này mất dần trên đường đi đến Trái đất nên cần phải có các thiết bị tinh vi để điều chỉnh mọi sự giao thoa trên hành tinh của chúng ta. Mặc dù các quan sát của LIGO được thực hiện trên mặt đất, các nhà khoa học khác cần phải nghiền ngẫm các dữ liệu để bảo đảm sự đúng đắn của chúng. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters. Sẽ còn nhiều nghiên cứu tiếp theo trong thời gian tới.

Albert Einstein đã dự đoán về sóng hấp dẫn từ năm 1918 như là một phần của lý thuyết tương đối rộng. Việc tìm ra sóng hấp dẫn sẽ khẳng định một phần lớn của thuyết này và sẽ là bước tiến đầu tiên hướng đến cách thức mới trong quan sát vũ trụ. Các lỗ đen và sao nơ-tron quá tối để có thể quan sát bằng các kính thiên văn hiện đại, nhưng các nhà nghiên cứu có thể đo được sóng hấp dẫn mà chúng tạo ra. Các số liệu này sẽ cung cấp nhiều thông tin về cách mà các đối tượng này tạo ra trường hấp dẫn và thậm chí có thể dẫn đến việc khám phá những đối tượng và khái niệm mới mà chúng ta chưa từng nghĩ đến. “Chúng tôi không chỉ là kiểm chứng một lý thuyết” , Ira Thorpe, một nhà thiên văn học của NASA, không nằm trong nhóm LIGO, phát biểu. “Phần thực sự quan trọng của việc này là cho chúng ta một công cụ hoàn toàn mới để hiểu về Vũ trụ của chúng ta”.

Nghĩa là, nếu các phát hiện nay là đúng thì các nhà khoa học các nhà khoa học đã sai lầm về sóng hấp dẫn trong thời gian gần đây. Vào năm 1960, nhà vật lý người Mỹ Joseph Weber đã xác nhận rằng ông phát hiện được sóng hấp dẫn nhưng điều khám phá của ông bị nghi ngờ vì không có ai có thể tái hiện lại thí nghiệm đó. Và vào năm 2014, một đội nghiên cứu sử dụng kính thiên văn BICEP2 ở gần Nam cực đã nói rằng họ tìm thấy bằng chứng của các sóng này khi nghiên cứu Vũ trụ vào thuở ban đầu; tuy nhiên, các kết quả của họ hóa ra là từ các bụi vũ trụ. Các công cụ mà LIGO sử dụng là khá nhạy đối với các giao thoa bên ngoài, nghĩa là các kết quả hiện tại có thể bị ảnh hưởng bởi các giao thoa tạo ra từ Trái đất.

Hiện tại thì hôm nay là ngày kỷ niệm của các nhà khoa học. “Thưa Quý Bà, Quý Ông, chúng tôi đã phát hiện ra sóng hấp dẫn. Chúng tôi đã làm được”, giám đốc thực hiện của LIGO - David Reitze – nói trong một cuộc họp báo để thông báo về sự phát hiện này. Phát biểu của ông đã được hoan nghênh và tán dương bởi các nhà khoa học và báo chí tham dự. “Những điều chúng tôi phỏng đoán sẽ trở thành đối tượng trong một nghiên cứu chi tiết”, Marc Kaminonkowski, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Johns Hopkins, nói với tờ The Verge trước buổi công bố. “Thật đáng ngạc nhiên rằng họ có thể phát hiện được chúng”.

Sóng hấp dẫn là gì?

Thuyết tương đối rộng của Einstein đã thay đổi hoàn toàn nhận thức của chúng ta về vũ trụ. Ban đầu, các nhà khoa học nghĩ rằng không gian và thời gian là hai khái niệm cố định và độc lập với nhau. Nhưng thuyết của Einstein đã kết hợp không gian và thời gian lại với nhau trong một mô hình 4 chiều gọi là không – thời gian. Và không – thời gian thì không hề cố định.

Thuyết này cũng thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về sự hấp dẫn. Theo cơ học Newton thì mọi vật thể trong Vũ trụ đều hút lẫn nhau. Nhưng Einstein lại giả định rằng trên thực tế, các vật thể làm cong không – thời gian xung quanh nó và tạo ra cái gọi là “sức kéo” hấp dẫn. Hãy hình dung một quả bóng bowling nằm trên một tấm chăn được căng phẳng. Quả bóng sẽ làm cong tấm chăn và tạo ra một vết hằn trong các sợi vải. Các hành tinh và các sao là những quả bóng bowling và không – thời gian là tấm chăn. Bây giờ, hãy tưởng tượng một viên bi lăn trên tấm chăn có quả bóng bowling trên ấy. Viên bi sẽ đi theo các đường cong của tấm chăn hướng về quả bóng. Các vật nhỏ như là các thiên thể sẽ ứng xử giống như viên bi khi chúng đi gần các khối lượng lớn: chúng đi theo độ cong của không – thời gian do các vật thể lớn tạo ra.

Khi các vật thể chuyển động ngang qua Vũ trụ, chúng cũng làm cong không – thời gian. Điều này gây ra các gợn sóng: sóng hấp dẫn. Sự chuyển động của mọi vật thể – từ một người đến một lỗ đen cực lớn – tạo nên các sóng hấp dẫn. 

CÁC SÓNG HẤP DẪN THƯỜNG LÀ CỰC KỲ YẾU

Hầu như mọi người trong cộng đồng khoa học đều tin rằng sóng hấp dẫn tồn tại, nhưng không ai chứng minh được điều đó. Bởi vì các tín hiệu từ sóng hấp dẫn thường quá yếu. “Khi chúng ta chuyển động, sóng hấp dẫn quá yếu đến nổi gần như bằng không”, Kamionkowski nói. “Trái đất khi chuyển động quanh Mặt trời tạo ra một tính hiệu sóng hấp dẫn, nhưng nó vẫn còn rất, rất yếu”.

Tuy nhiên, nếu vật thể có khối lượng càng lớn thì sóng do nó tạo ra càng mạnh. Các vật thể khối lượng riêng siêu lớn như là lỗ đen hoặc sao nơ-tron chuyển động với một tốc độ lớn có thể tạo ra sóng hấp dẫn đủ mạnh để ta có thể đo được trên Trái đất. Đó là điều mà các nhà khoa học của LIGO hướng đến. 

LIGO

LIGO có hai đài quan sát ở Louisiana và Washington State do National Science Foundation tài trợ. Mỗi đài quan sát có dạng của một chữ “L” khổng lồ với các “cánh tay” là các ống chân không dài 2,5 dặm, trong đó có các gương ở mỗi đầu. Các gương này được sử dụng để đo xem sóng hấp dẫn bẻ cong không – thời gian ra sao. Khi một sóng hấp dẫn đi qua, một tấm gương sẽ tiến gần lại trong khi tấm khác lại đi xa ra. Các nhà khoa học sẽ đo hiện tượng này bằng các tia laser phản xạ từ các tấm gương. Các thay đổi về lượng thời gian mà laser phản xạ lại từ một gương sẽ cho thấy một sóng hấp dẫn.

Các phép đo về sóng hấp dẫn từ các lỗ đen cũng được chuyển đổi thành dạng sóng âm, cái mà LIGO gọi là một “tiếng chiêm chiếp”. Ngay lúc các lỗ đen hòa vào nhau, tần số của sóng hấp dẫn tăng lên cho đến khi có va chạm.

Dưới dạng âm thanh, quá trình này trở thành một nốt cao mà tần số của nó tăng lên rất nhanh. Tiếng chiêm chiếp này có thể nhận ra trong đoạn ghi âm kèm theo. Các nhà khoa học đã dịch chuyển tần số của nó cho dễ nghe. Các sóng âm chỉ làm thay đổi thiết bị của LIGO khoảng 10 phần ngàn kích thước của một proton. Nghĩa là Trái đất không phải là nơi lý tưởng để tìm sóng này bởi vì các chuyển động của con người hoặc xe cộ có thể gây ra giao thoa khá mạnh. Hiện tại, LIGO vẫn tiếp tục thu nhận các “tín hiệu” do xe cộ chạy qua các chỗ gồ ghề trên đường.

Tuy nhiên LIGO đã cố gắng điều chỉnh để có được các giao thoa có thể nghiên cứu. Trong nhóm có 3 thành viên chuyên phân tích các dữ liệu. Các nhà khoa học đã tạo ra các tính hiệu giả để bảo đảm rằng họ có thể phân biệt được đâu là các số đo thực cần quan tâm. Từng có lúc LIGO đã chuẩn bị công bố rằng họ đã phát hiện được các sóng hấp dẫn do các số liệu giả. Nhưng nhóm nghiên cứu đã phải làm lại khi họ tìm thấy dữ liệu bị chế tác.  

Tiến lên phía trước

Sóng hấp dẫn cung cấp cho các nhà khoa học một phương pháp để tìm thấy những đối tượng không phát ra ánh sáng, giúp họ nghiên cứu chuyên sâu hơn về chúng. “Khi kính viễn vọng vô tuyến đầu tiên được ra đời, chúng tôi đã tìm thấy tất cả các nguồn vô tuyến mạnh nhất mà chưa từng được biết”, Kamionkowski nói. “Chúng tôi đang nhận được đôi mắt mới để nhìn vào bầu trời”.

Mặc dù những công nghệ như vậy đã có sẵn trong hàng chục năm qua, nhưng đến thời điểm này chúng mới trở nên có ích hơn bao giờ hết. Thorpe nói phát hiện ngày hôm nay sẽ giúp thúc đẩy những nỗ lực của con người đối với sóng hấp dẫn, chẳng hạn như sứ mệnh LISA Pathfinder. “Sự thành công của một dự án như LIGO sẽ truyền cảm hứng cho chúng tôi để tiếp tục tiến về phía trước và không ngừng cố gắng”.

Theo: Theverge, Physical Review Letters, Ảnh: Mashable