Phát hiện sóng hấp dẫn quan trọng với nhân loại thế nào?

Điều bí ẩn trong lý thuyết tương đối rộng của Einstein là gì? Vì sao người ta phải mất tới 100 năm để đi tìm lời giản cho bí ẩn này?

Khi đặt mình ở vị trí của một người khổng lồ để quan sát toàn cảnh vũ trụ, các nhà khoa học sẽ tự hỏi nó được lấp đầy bởi gì? Ngoài những hành tinh bé nhỏ cho đến những ngôi sao và thiên hà, thứ rộng lớn nhất còn lại là khoảng không. Vào thời kỳ vật lý cổ điển, Issac Newton hình dung không gian như một nền tảng tuyệt đối, vĩnh cửu, bất biến.

Theo cách hiểu của Newton, không gian vũ trụ giống như một mặt bàn phẳng, chắc chắn, cố định còn các hành tinh chuyển động trong không gian giống như những viên bi lăn trên mặt bàn. Các chuyển động của viên bi không làm ảnh hưởng, biến dạng chiếc mặt bàn bằng gỗ.

Cũng theo Newton thì vạn vật trong vũ trụ đều hấp dẫn nhau. Tuy nhiên, Newton cho rằng lực hút đó là tự nhiên và không đưa ra giải thích cho sự tồn tại của lực hấp dẫn đó.

Mọi chuyện đã thay đổi vào đầu thế kỷ 21 với Albert Einstein. Vào năm 1905, nhà vật lý thiên tài này đã phát minh ra thuyết tương đối hẹp, trong đó, ông cho rằng, không gian vũ trụ gồm 3 chiều không gian và 1 chiều thời gian đồng thời chúng có thể co dãn được chứ không phải là vĩnh cửu và bất biến như Newton đã nói.

Mười năm sau đó, Einstein đưa ra thuyết tương đối rộng, trong đó, ông giải thích về sự xuất hiện của lực hấp dẫn. Theo cách hình dung của Einstein, không gian giống như một tấm vải mềm được căng ra bốn phía. Và các hành tinh trong không gian sẽ tạo nên các vết lõm xung quanh nó.

Mọi vật khi đi vào vùng không gian xung quanh bị lõm đó sẽ chuyển động theo hình dạng của không gian đó. Nếu tốc độ của vật lớn, nó có thể vượt qua vùng không gian bị biến dạng. Nếu không, nó sẽ bị hút vào vật thể. Đó là cách mà mọi vật trong vũ trụ hút lẫn nhau. Theo lý giải của Einstein, một vật có khối lượng càng lớn, vết lõm càng lớn. Và điều gì xảy ra khi một vật có khối lượng cực lớn bắt đầu di chuyển? Nó sẽ tạo ra sóng.

Điều đó có nghĩa, một đối tượng di chuyển trong không gian - thời gian, nó phải tạo ra những gợn sóng biến dạng lăn tăn của không thời gian. Người ta gọi đây là sóng hấp dẫn.

Tuy nhiên, vào thời của Einstein, tất cả những điều này chỉ là lý thuyết. Sự tồn tại của sóng hấp dẫn cũng chỉ là một tiên đoán mà bản thân Einstein cũng không chắc chắn con người có đủ khả năng để tìm ra chúng.

Cuộc tìm kiếm 100 năm

Bởi sự hạn chế của công nghệ, các nhà khoa học đã phải đợi gần 60 năm để có được dấu mốc tiền đề, gián tiếp chứng minh sự tồn tại của sóng hấp dẫn.

Một cơ sở nghiên cứu của LIGO.
Năm 1974, hai nhà thiên văn Russell Hulse và Taylor Joseph, trong khi quan sát vào một vùng không gian sâu, đã phát hiện một cặp đôi sao neutron. Điều này giống như họ may mắn tìm thấy ra hai chiếc thuyền lớn hiếm hoi đang di chuyển trên mặt hồ không-thời gian.

Họ ngay lập tức sử dụng cơ hội này để kiểm tra Thuyết Tương đối rộng của Einstein cùng với sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Công việc diễn ra suốt nửa thập kỷ. Cho đến năm 1979, các kết quả đo đạc được công bố cho thấy hai ngôi sao đang mất dần năng lượng để chuẩn bị va chạm vào nhau trong 300 triệu năm.

Hulse và Taylor chứng minh đây chính là hệ quả của việc hai ngôi sao di chuyển gây ra sóng hấp dẫn. Điều này hoàn toàn trùng khớp với dự đoán trong lý thuyết của Einstein. Giải Nobel năm 1993 đã được trao cho hai nhà khoa học, mặc dù họ không trực tiếp phát hiện sóng hấp dẫn.

Trước đó, năm 1992, ba nhà vật lý Kip Thorne và Ronald Drever đến từ Viện công nghệ California cùng Rainer Weiss đến từ MIT nhận ra rằng công cuộc tìm kiếm sóng hấp dẫn của nhân loại sẽ là một chặng đường dài và sẽ cần một dự án cực lớn. Họ cùng nhau thành lập nên Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO).

Dự án của LIGO quy tụ 900 nhà khoa học đến từ 15 quốc gia trên thế giới. Các cơ sở thí nghiệm hiện đại nhất của nó được đặt tại Hoa Kỳ với sự đầu tư cả tỷ USD đến từ Quỹ Khoa học quốc gia (NSF).

Mặc dù vậy, suốt khoảng thời gian từ khi bắt đầu đi vào hoạt động năm 2002 cho đến năm 2010, hầu như LIGO không đạt được bất kỳ một phát hiện quan trọng nào. Nó được đưa vào giai đoạn nâng cấp sau đó vài năm để tăng độ nhạy của thiết bị lên gấp 4 lần.

Tháng 2/2015, hai trạm quan trắc của LIGO tại Louisiana và Washington được đưa vào chạy thử nghiệm trở lại sau quá trình nâng cấp. Họ thu nhận những dao động đến từ sự kiện hai hố đen sáp nhập trong khoảng thời gian 1,3 tỷ năm về trước.

Các dữ liệu không lâu sau đó được phân tích vào ngày 14/9/2015 bởi Marco Drago, một nghiên cứu sinh người Ý đã khiến anh trở thành người đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn.

Các nhà khoa học tại LIGO quyết định giữ bí mật thông tin để kiểm tra lại nhiều lần thí nghiệm của họ. Cuối cùng, dấu mốc lịch sử được chốt lại trong cuộc họp báo ngày 11/2/2016 tại Hoa Kỳ.

Cửa sổ mới nhìn ra vũ trụ

Sóng hấp dẫn được phát hiện sẽ trở thành một công cụ tuyệt vời để nghiên cứu vũ trụ.

Hãy nhìn lại những công cụ chúng ta có ngày nay: ánh sáng, sóng radio, tia hồng ngoại, tia X và gamma. Chúng đều chỉ là sóng điện từ và chịu rất nhiều tác động khi di chuyển trong vũ trụ.

Với những công cụ này, chỉ một phần nhỏ bức tranh vũ trụ được hé lộ nếu chúng ta tiếp tục sử dụng sóng điện từ. Điển hình, các lỗ đen sẽ chôn vùi cả ánh sáng sau chân trời sự kiện của nó.

Tuy nhiên, các nhà khoa học có thể thu được sóng hấp dẫn để tìm hiểu một lỗ đen. Nó không vấp phải quá nhiều trở ngại khi di chuyển trong không gian mà lại mang theo một lượng thông tin phong phú.

Bên cạnh đó, một ứng dụng tuyệt vời của sóng hấp dẫn là nghiên cứu các vụ nổ siêu tân tinh. “Sóng hấp dẫn sẽ đến Trái Đất sớm hơn bất kỳ loại ánh sáng nào”, Bartos, một thành viên của LIGO nói. “Khi lõi của một ngôi sao lớn bắt đầu sụp đổ, siêu tân tinh hình thành một lỗ đen. Nhưng phía ngoài bề mặt của nó không cho biết lõi bên trong đã sụp đổ”.

Đây là lí do chúng ta có thể sử dụng sóng hấp dẫn để phát hiện sự kiện này nhanh hơn các kính viễn vọng hàng giờ đồng hồ. Công cụ mới cũng có thể khiến chúng ta quan sát khu vực quan trọng nhất trong một vụ sụp đổ: lõi của các ngôi sao, nơi một hố đen được sinh ra. Trong khi đó, kính viễn vọng hiện đại nhất của nhân loại cũng chỉ dừng lại ở những quan sát bề mặt.

Quan sát sóng hấp dẫn còn mở ra hi vọng thăm dò tận sâu vào bên trong các ngôi sao, lý giải sự bí ẩn trong hoạt động của hố đen và những bức xạ phát ra từ sự kiện khởi đầu vũ trụ.

Tựu chung lại, sóng hấp dẫn là yếu tố nắm giữ chìa khóa cho một loạt câu hỏi về sự hoạt động của vũ trụ.

“Nếu nhìn thấy sóng hấp dẫn, bạn có thể nhìn ngược về 1 phần tỷ giây đầu của vụ nổ Big Bang. Loài người không còn cách nào khác nếu muốn khám phá nguồn gốc của vũ trụ”, Tuck Stebbins, trưởng phòng thí nghiệm Vật lý học thiên thể tại Trung tâm Không gian Goddard thuộc NASA cho biết.

Hà Phương