Ngày 11 tháng 2 năm 2016, người phát ngôn của Đài thiên văn LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) thông báo là họ đã phát hiện được sóng hấp dẫn (gravitational wave) từ vụ chập 2 hố đen vũ trụ cách Trái Đất 1.3 tỷ năm ánh sáng. Thời điểm phát hiện là 09:51 UTC ngày 14 tháng 9 năm 2015.
Là một ICTer của ICT-VN, tất nhiên là tôi tò mò, và nhân week-end muốn nhàn đàm cùng anh/chị về phát hiện này. Thông tin mà tôi tham khảo chủ yếu nằm tại trang https://www.ligo.caltech.edu.
1. Năm 1916, Einstein tiên đoán từ Thuyết Tương đối rộng của mình là có sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn sinh ra từ các vụ va chạm mạnh trong vũ trụ (ví dụ như 2 hố đen vũ trụ chập vào nhau). Điểm đặc biệt hấp dẫn của sóng hấp dẫn là nó làm biến đổi không-thời gian. Nghĩa là nó làm co giãn vật chất và làm thay đổi thời gian (nhanh lên hoặc dài ra). Sóng hấp dẫn không bị vật chất cản, nó đi xuyên thấu mọi vật chất. Điểm đáng chú ý nhất là sóng này là nó làm giãn không gian theo một chiều x và làm co không gian chiều y, x và y vuông góc với nhau (trên cùng một mặt phẳng). Người ta xây dựng Đài thiên văn LOGO đo sóng hấp dẫn dựa trên nguyên tắc cơ bản này. Khó khăn mà các nhà khoa học gặp phải là sự co giãn vô cùng nhỏ (chỉ khoảng 1 phần nghìn của hạt proton), các máy đo thông thường không đo được.
2. Lại nói về hố đen vũ trụ. Hố đen vũ trụ là vùng mà lực hấp dẫn từ trung tâm của hố đen lớn đến mức không có bất kỳ vật chất nào thoát ra được, kể cả ánh sáng. Mà ánh sáng không thoát ra được thì các đài thiên văn thông thường không thể nhìn thấy. Theo thuyết lượng tử thì vùng bao của hố đen (gọi là event horizon) có bức xạ Hawking nhưng sự thay đổi nhiệt độ do bức xạ này sinh ra cũng chỉ là một vài phần triệu độ Kelvin. Vì vậy, cũng chưa thể đo được. Việc đo được sóng hấp dẫn từ vụ chập của 2 hố đen cũng là minh chứng cho sự tồn tại của hố đen vũ trụ.
3. Vậy LIGO đo sự co giãn của không gian khi sóng hấp dẫn đi qua trái đất bằng cách nào? Chú ý là cần đo được sự co giãn chỉ vài phần nghìn của hạt proton khi sóng hấp dẫn đi qua! (Thật là một việc “không tưởng” đúng không ạ?)
Họ xây 2 đài thiên văn giống hệt nhau và cách nhau hơn 3 nghìn km, một ở Livingston, bang Louisiana và một ở Hanford, bang Washington (Hoa Kỳ). Tại mỗi đài thiên văn họ xây 2 đường ống chân không hình chữ L, mỗi ống dài 4 km.
Vì sao họ xây 2 đài giống hệt nhau cách nhau 3 nghìn km? Vì nếu 1 trong 2 đài phát hiện có sóng hấp dẫn đi qua thì kết quả giống hệt phải được phát hiện ở đài kia. Họ làm như vậy là để loại trừ khả năng bị “nhiễu tại chỗ” của 1 trong 2 đài. Nhiễu tại chỗ có thể là rung chấn động đất, tiếng “ồn” công nghiệp, …
Họ phát hiện có sóng hấp dẫn đi qua bằng cách nào? Theo nguyên tắc thì khi có sóng đi qua 1 ống chân không của chữ L sẽ giãn ra và ống kia sẽ co lại. Từ góc vuông của chữ L họ phát 1 chùm tia laser tách thành 2 góc vuông nhau chạy dài theo đường ống chân không. Cuối mỗi ống chân không có 1 chiếc gương phản chiếu và chùm tia laser đó sẽ quay trở lại điểm xuất phát. Nếu 2 chùm tia laser quay trở lại cùng một thời điểm thì chẳng có chuyện gì xảy ra cả, còn nếu lệch nhau thì chứng tỏ đã có sóng hấp dẫn đi qua! Đơn giản là vậy 😊.
4. Nói là đơn giản vậy cho dễ hiểu về mặt nguyên tắc chứ trong thực tế, LIGO là giao thoa kế theo nguyên lý của Michelson với nhiều cải tiến tăng độ nhạy gấp 144 nghìn lần so với bản gốc.
5. Đài thiên văn LIGO “nghe” sóng hấp dẫn chứ không “nhìn” thấy sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn mặc dù được truyền đi với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng nhưng các đài thiên văn dựa trên nguyên lý điện từ trường không nhìn thấy được. Chỉ có LIGO mới “nghe” được.
6. Còn nhớ, cũng trên diễn đàn này, như GS. Hoài đã chia sẻ, trên thế giới hiện nay người ta chỉ mới biết đến 4 loại lực: lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu, lực điện từ và lực hấp dẫn. Hai lực hạt nhân chỉ có tác dụng với khoảng cách rất ngắn, chủ yếu là để liên kết các hạt của một vật chất (matter) lại với nhau, không có mấy ý nghĩa trong cuộc sống. Lực điện từ và trường điện từ có ứng dụng rất rộng rãi hiện nay. Lực hấp dẫn thì rất rõ rồi (chúng ta bám được vào Trái Đất là nhờ có lực hấp dẫn) nhưng trường hấp dẫn thì còn rất bí ẩn còn sóng hấp dẫn thì các nhà khoa học mới nghe được cách đây chưa lâu!
7. Tôi nghe được trong phiên điều trần của các thành viên LIGO (ông Fleming Crim, ông David Reitze, bà Gabriela Gonzalez và ông David Shoemaker) trước Ủy ban Khoa học, Không gian và Công nghệ - Quốc hội Mỹ, có một nghị sỹ hỏi là qua sự phát hiện này liệu có đi đến một phát hiện về graviton (hạt hấp dẫn) hay không? Các nhà khoa học trả lời là chưa. Có một người khác hỏi là vì sóng hấp dẫn làm méo không - thời gian thì liệu chúng ta có du lịch trở lại quá khứ được hay không? Bà Gabriela Gonzalez trả lời là có làm cho thời gian nhanh lên hay chậm đi nhưng không có nghĩa là chúng ta quay trở lại quá khứ được! Hơi thất vọng một chút 😊.
Chúc anh/chị week-end vui vẻ, an lành!
---
Cập nhật 10-03-2017:
Giải Nobel Vật lý 2017
Dear các anh/chị
Cách đây khoảng 19 tháng, nhân việc người phát ngôn của Đài thiên văn LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) thông báo là họ đã phát hiện được sóng hấp dẫn (gravitational wave) từ vụ chập 2 hố đen vũ trụ cách Trái Đất 1.3 tỷ năm ánh sáng, tôi có "nhàn đàm" về sự kiện đặc biệt này (xem email gốc dưới đây).
Hôm nay những người đại diện cho nhóm nghiên cứu này đã nhận được giải Nobel Vật lý. Xin chúc mừng các nhà khoa học Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne! (Xem: Nobel prize in physics awarded for discovery of gravitational waves)
Chúng ta đều biết rằng nhờ các kính viễn vọng (telescope) mà các nhà khoa học có thể nhìn thấy quá khứ cách đây 12 tỷ năm (trong lúc tuổi của vũ trụ là khoảng 13,7 tỷ năm kể từ vụ nổ Big Bang). Nhưng đó là chúng ta nhìn thấy các vật phát sáng. Còn với các hố đen vũ trụ thì các hạt ánh sáng cũng không thoát ra được. Vì vậy, việc LIGO "nghe" được sóng hấp dẫn lại mở ra một cách đo mới. Thậm chí các nhà khoa học mơ ước là sẽ "soi" đến tận tâm điểm lúc Big Bang diễn ra 😊.
Nguồn lực họ đổ ra không hề nhỏ: 40 năm, hơn 1.000 nhà khoa học, tiền đầu tư trên 1 tỷ đô la (nếu anh/chị quan tâm thì có thể xem phiên điều trần của các thành viên LIGO trước Ủy ban Khoa học, Không gian và Công nghệ - Quốc hội Hoa Kỳ).
Quả thật là vĩ đại!
