Phát hiện sóng hấp dẫn

- Nguyễn Quang Riệu — published 01/04/2018 11:55, cập nhật lần cuối 22/03/2018 09:18

Phát hiện sóng hấp dẫn: một thành tựu thiên văn trong năm 2017

Nguyễn Quang Riệu

Phòng thí nghiệm Vũ trụ

Vũ trụ là môi trường có những điều kiện lý-hóa đa dạng. Các nhả vật lý thiên văn sử dụng lý thuyết để phỏng đoán và giải thích những hiện tượng thiên nhiên. Một trong những đề tài đang được thịnh hành là sự phát hiện sóng hấp dẫn tiên đoán từ lý thuyến tương đối cuả Einstein. Những thiên thể nặng được tăng tốc và di chuyển hay bùng nổ trong vũ trụ, kể cả vụ nổ lớn Big Bang, có khả năng làm nhiễu không-thời gian. Hiện tượng này tương tự như những gợn sóng lăn tăn trên mặt hồ sau khi bị nhiễu bởi một hòn đá vừa rơi xuống. Sóng hấp dẫn lan truyền trong kkông-thời gian với tốc độ ánh sáng. Sự phát hiện ra sóng hấp dẫn là một thách thức lớn trong ngành thiên văn hiện đại.

Thuật luyện kim trong vũ trụ

Vũ trụ ra đời cách đây 13,7 tỷ năm từ vụ nổ Big Bang, Trong những khoảnh khắc đầu tiên, vũ trụ nóng đến mức hạt nhân nguyên tử không thể tồn tại vì bị những tia xạ gamma tiêu huỷ. Vũ trụ nguyên thủy chỉ là một « nồi xúp « chứa đầy photon và hạt cơ bản như quark, electron và neutrino… Vũ trụ dãn nở nên loãng và nguội dần. Các hạt proton và neutron mới bắt đầu xuất hiện và liên kết với nhau để tạo ra deuterium và helium. Quá trình « bắt « neutron để tạo ra những nguyên tố nặng hơn đến đây chấm dứt. Phải đợi hàng trăm triệu năm sau Big Bang, các ngôi sao đầu tiên mới xuất hiện để tiếp tục sản xuất những nguyên tố nặng.

Minh họa một vụ nổ sao siêu mới sản xuất ra những nguyên tử nặng như đồng, vàng v.v. ... Một ngôi sao neutron siêu đặc được tạo ra ở vùng trung tâm.

(Hình N.Mikami, NAO).

Ngôi sao là những lò luyện kim rất hiệu quả để điều chế ra những nguyên tử nặng. Một ngôi sao tương tự như mặt trời “đốt” nhiên liệu, chủ yếu là hydro, để tồn tại được trong 10 tỷ năm. Sau khi tiêu thụ hết nhiên liệu hydro, lõi ngôi sao chứa toàn “chất thải ” helium. Khi đó ngôi sao mất thăng bằng vì năng lượng hạt nhân không còn đủ để chống lại lực hấp dẫn. Vùng trung tâm ngôi sao sập sụp và nóng lên tới hàng chục triệu độ làm helium biến thành carbon (C). Khi đó ngôi sao co dãn và phun các nguyên tử nặng vừa mới được điều chế ra môi trường liên sao. Tuy nhiên, nhiệt độ trong lõi ngôi sao không còn đủ cao để tổng hợp các hạt nhân nặng hơn carbon. Trong những ngôi sao nặng hơn hơn mặt trời có nhiệt độ và áp suất cao, quá trình tổng hợp hạt nhân tiếp tục tiến hành. Những ngôi sao này điều chế các nguyên tử nặng như oxy (O), neon (Ne), natri (Na), magnesium (Mg), silicium (Si), sắt (Fe) và có cấu trúc sắp xếp thành từng lớp như vỏ một củ hành. Vỏ ngoài chứa hydro và heli càng vào trong càng có vỏ những nguyên tử nặng và trong cùng là một cái lõi sao toàn là sắt (Fe). Quá trình sản xuất những nguyên tử nặng hơn tạm dừng. Khi đó ngôi sao sập sụp xuống và nổ tung thành sao siêu mới. Quá trình bắt neutron lại được tiến hành để tiếp tục tạo ra đồng (Cu), vàng (Au) v.v. ...

Quá trình tiến hoá của những ngôi sao

Pulsar là một ngôi sao neutron phát ra những bức xạ trong phổ điện từ giới hạn trong một không gian hình nón. Pulsar tự quay và phát tín hiệu thu được trên trái đất dưới dạng những xung vô tuyến.

(Hình CNRS).

Những ngôi sao khồng lồ sau khi đã tiêu thụ hết nhiên liệu hạt nhân thì nổ tung và để lại một cái lõi siêu đặc. Dưới sức ép cuả vụ nổ, vật chất trong lõi ngôi sao biến thành neutron. Tuy nhiên, sao neutron không chứa được quá nhiều vật chất nên nếu sự sập sụp cứ tiếp tục thì lõi ngôi sao trở thành một lỗ đen. Sao neutron và lỗ đen là những thiên thể siêu đặc có trường hấp dẫn lớn. Sao neutron phát những bức xạ ̣ trong phổ điện, từ bức xa ̣ vô tuyến đến bức xạ X. Trpng trường hợp lỗ đenà gamma có năng lượng cao. Trong trường hợp lỗ đen, không-thởi gian xung quanh ngôi sao bị biến dạng đến mức ánh sáng cuả ngôi sao cũng không thoát được ra ngoài. Vì photon trong lỗ đen không thể có vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng nên bị bẫy trong lỗ đen. Còn sao neutron thì phát ra bức xạ không đẳng hướng, chỉ hạn chế trong một không gian hình nón. Sao neutron tự quay nên các nhà thiên văn trên trái đất chỉ thu được tín hiệu cuả ngôi sao dưới dạng những xung xạ, đặc biệt là xung vô tuyến, mỗi khi nón ánh sáng quét qua trái đất. Do đó ngôi sao neutron được gọi là “pulsar” (sao xung). Tuy tự quay rất nhanh với vận tốc lên tới khoảng 300 vòng/giây (pulsar miligiây), nhưng pulsar vẫn là những chiếc đồng hồ thiên nhiên cực kỳ chính xác.

Sóng hấp dẫn

Dựa trên lý thuyết tương đối cuả mình, Einstein tiên đoán sóng hấp dẫn là những dao động cuả không-thời gian và lan truyền với tốc độ ánh sáng. Tín hiệu sóng hấp dẫn rất yếu. Trong một khoảng cách dài 3 km, biên độ của những dao động chỉ nhỏ khoảng 10^-19met. Những nỗ lực nhằm phát hiện trực tiếp loại sóng này bằng cách dùng những thanh kim loại hình trụ để đo được những dao động cuả không-thời gian, đều không đạt được kết quả.
Năm 1970, Hulse và Taylor tại Hoa Kỳ đã phát hiện được tác động cuả sóng hấp dẫn bằng cách đo chu kỳ tín hiệu vô tuyến cuả một cặp sao neutron đôi quay xung quanh nhau. Họ kiên trì quan sát liên tục trong nhiều năm và nhận thấy chu kỳ cuả pulsar ngày càng ngắn. Điều này chứng tỏ quỹ đạo quay cùa pulsar hẹp dần và hai thiên thể dần dần quay sát gẩn nhau. Những tính toán lý thuyết xác nhận chính sự phát sóng hấp dẫn là nguyên nhân cuả sự thất thoát năng lượng quay cuả pulsar. Tuy không phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn, nhưng quan sát được sự giảm chu kỳ quay cuả cặp sao neutron siêu đặc chứng tỏ sự tồn tại của thực thể này. Hai nhà thiên văn Hulse và Taylor đã lĩnh giải Nobel năm 1993.

Sự phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn là một trong những thách thức to lớn nhất mà các nhà vật lý thiên văn phải đối mặt.

Hình minh họa một cặp thiên thể siêu đặc (sao neutron hay lỗ đen) quay xung quanh nhau trước khi sáp nhập và phát ra sóng hấp dẫn thu được bằng hệ giao thoa LIGO-VIRGO.

Phát hiện sóng hấp dẫn bằng kỹ thuật giao thoa

Ngày nay, các nhà thiên văn sử dụng những hệ giao thoa quang học gồm hai tấm gương cách xa nhau 3 kilomet để phát hiện sóng hấp dẫn. Một tia laser được tách làm đôi và chiếu vào hai tấm gương đặt ở hai hướng thẳng góc với nhau để tạo ra những hệ vân giao thoa. Sóng hấp dẫn lan truyền tới hệ kính làm co giãn không-thời gian và thay đổi pha cuả hai tia laser và hệ vân giao thoa.

Họ dùng một mạng lưới gồm 3 hệ giao thoa đặt tại Hoa Kỳ bang Louisiana và bang Washington (hệ giao thoa LIGO) và thành phố Pisa tại Italia (hệ VIRGO, Cộng đồng Châu Âu) để quan sát các nguồn sóng hấp dẫn với độ nhậy cao.

Ngày 14 tháng 8 năm 2017, mạng giao thoa này thu được một tín hiệu rất ngắn cuả sóng hấp dẫn. Tín hiệu được xác định là phát ra từ một vụ va chạm ở giai đoạn cuối cùng trong quá trình sáp nhập hai lỗ đen. Hai thiên thể siêu đặc này nặng 31 và 25 lần mặt trời. Nguồn sóng hấp dẫn được đặt tên GW170814 và phát ra ở khoảng cách xa trái đất 1,8 tỷ năm ánh sáng. Sự kiện sáp nhập này tạo ra một lỗ đen khổng lồ nặng 53 lần mặt trời. Một khối lượng khoảng 3 khối lượng mặt trời đã được dùng để phát ra sóng hấp dẫn khi hai lỗ đen sáp nhập.

Hình minh họa hai lỗ đen sáp nhập với nhau và phát sóng hấp dẫn (CNRS).

Chỉ ba ngày sau, mạng giao thoa lại thu được một tín hiệu sóng hấp dẫn và được xác định là phát ra từ một cặp sao neutron. Sự kiện ngôi sao neutron đôi va chạm rồi sáp nhập với nhau, mệnh danh là “pháo bông vũ trụ”, xẩy ra ngày 17 tháng 8 vừa qua cũng đã được phát hiện bằng mạng giao thoa LIGO-VIRGO. Sự bùng nổ phát ra từng đợt bức xạ có năng lượng cao trong phổ điện từ, như bức xạ gamma, bức xạ X, v.v … Những nguyên tố nặng như bạch kim cũng được chế tạo trong vụ nổ.

Ngày 14 tháng 9 năm 2015, National Science Founđation cũng đã công bố các nhà thiên văn sử dụng hệ kính LIGO đã phát hiện được sóng hấp dẫn phát ra từ một cặp lỗ đen nằm trong một thiên hà cách xa trái đất một tỷ năm ánh sáng. Sự phát hiện sóng hấp dẫn tháng 8 vừa qua bằng hệ LIGO-VIRGO là thành quả cuả sự cộng tác cuả nhiều nhà thiên văn toàn cầu. Mạng lưới giao thoa LIGO-VIRGO gồm 3 hệ kính giao thoa sẽ là thiết bị để phát hiện nhiều nguồn phát sóng hấp dẫn trong vũ trụ, đặc biệt là lỗ đen. Đây cũng là một phương tiện để phát hiện lỗ đen, vì thiên thể này không phát bức xạ nào trong phổ điện từ, kể cả ánh sáng.

Mạng LIGO-VIRGO sẽ là công cụ giúp các nhà thiên văn xác định vị trí cuả thiên thể trong không gian với độ chính xác cao gấp 20 lần so với mạng 2 kính LIGO. Mạng LIGO-VIRGO còn có khả năng thăm dò không gian vũ trụ rộng 1000 lần so với hệ LIGO.

Vảo năm 2030, một hệ giao thoa (eLISA) sẽ được phóng lên không gian và đặt trên 3 vệ tinh theo hình tam giác.

Hệ giao thoa e-LISA gồm 3 tấm gương sẽ được phóng vào vũ trụ vào năm 2030 (ESA).

Vệ tinh được đặt cách xa nhau hàng triệu kilomet nên hệ giao thoa có độ nhậy rất cao. Vì cách xa trái đất nên eLISA cũng không bị ô nhiễm bởi những tín hiệu nhân tạo.

Các nhà thiên văn hy vọng sẽ phát hiện được sóng hấp dẫn phát ra từ vụ nổ nguyên thủy Big Bang và nhiều thiên thể khác. Sự quan sát sóng hấp dẫn mở đường cho một phương pháp mới để quan sát thành phần vật chất tối trong vũ trụ. Lỗ đen là những thiên thể siêu đặc vô hình và có trường hấp dẫn lớn.

Những thành tựu thiên văn mang tính tầm cỡ thường có sự tham gia cuả các nhà khoa học toàn cầu. Công trình phát hiện sóng hấp dẫn phát ra từ sự kiện sáp nhập cặp lỗ đen là một thí dụ ̣ điển hình. Hàng trăm tác giả công tác trong nhiều viện khoa học đã cùng ký tên trên bài báo đăng trong tạp chí Physical Review Letters.

Ba nhà khoa học Hoa Kỳ Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne là những người tiên phong trong công trình phát hiện sóng hấp dẫn đã được trao tặng Giải Nobel Vật lý năm 2017.