Sóng hấp dẫn đã được phát hiện từ sự sát nhập của 2 lỗ đen - Vật Lý Thiên Văn

Trong cuộc họp báo ngày 11/02/2016, các nhà khoa học của nhóm nghiên cứu LIGO và Virgo đã tuyên bố đã thu được sóng hấp dẫn bằng các công cụ giao thoa kế laser của họ. Sóng hấp dẫn này có nguồn gốc từ sự sát nhập của 2 lỗ đen ở khoảng cách 1.3 tỷ năm ánh sáng.

Vào ngày 14/9/2015, 2 máy dò của Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO) đồng thời quan sát được một tín hiệu của sóng hấp dẫn thoáng qua. Tín hiệu quét lên ở tần số từ 35 đến 250 Hz với đỉnh biến dạng của sóng hấp dẫn có giá trị 1.0x10-21. Nó phù hợp với dạng sóng dự đoán bởi thuyết tương đối tổng quát đối với một cặp lỗ đen quay quanh nhau và sát nhập với nhau để tạo thành một lỗ đen mới. Tín hiệu được quan sát được xử lý nhiễu và các phương pháp phân tích phức tạp, cho kết quả tương đương với giá trị có nghĩa lớn hơn 5 sigma (5σ). Đối tượng quan sát nằm ở khoảng cách sáng 410 Mpc, tương ứng với dịch chuyển đỏ z = 0.09.

Đối tượng ban đầu được xác định là hai lỗ đen có khối lượng lần lượt là 36 lần và 29 lần khối lượng Mặt Trời (M), và lỗ đen mới hình thành từ sự sát nhập của 2 lỗ đen ban đầu có khối lượng 62 M, với phần thiếu hụt 3.0 Mc2 đã bức xạ thành sóng hấp dẫn.

Những quan sát này chứng minh sự tồn tại của một hệ lỗ đen sao nhị phân. Đây cũng là lần đầu tiên thu được sóng hấp dẫn một cách trực tiếp và là lần quan sát đầu tiên một lỗ đen nhị phân sát nhập.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 1: Mô phỏng 2 chiều về sóng hấp dẫn tạo ra bởi hai vật thể nặng quay quanh nhau.

Bảng tóm tắt nguồn phát sóng hấp dẫn
Khối lượng lỗ đen chính {dpi{120}36_{-4}^{+5}}M
Khối lượng lỗ đen phụ {dpi{120}29_{-4}^{+4} }M☉ 
Khối lượng lỗ đen mới sau khi sát nhập {dpi{120}62_{-4}^{+4}}M
Khoảng cách sáng {dpi{120}410_{-180}^{+160}Mpc}
Dịch chuyển đỏ của nguồn phát {dpi{120}z = 0.09_{-0.04}^{+0.03}}

 Trong đó: 

  • M☉ là khối lượng Mặt Trời
  • Mpc là Megaparsec, đơn vị đo khoảng cách, có giá trị bằng khoảng 3.09 x 1022 m
  • Các ký hiệu sai số được đánh dấu + và - ngay sau số liệu chính.

Ảnh hưởng của sóng hấp dẫn đối với không - thời gian

Những ảnh hưởng khi sóng hấp dẫn đi qua có thể hình dung bằng cách tưởng tượng một khu vực không - thời gian hoàn toàn phẳng chứa một nhóm các hạt giả định nằm cố định trên mặt phẳng (ví dụ là mặt phẳng màn hình máy tính). Khi sóng hấp dẫn đi qua theo hướng vuông góc với mặt phẳng đó (hướng nhìn của người quan sát đang nhìn vào màn hình), thì các hạt cố định này sẽ theo sự biến dạng của không thời gian, dao động theo kiểu "chữ thập", như đang hiển thị trong hình 2. Khu vực xung quanh các hạt giả định không thay đổi và không có chuyển động dọc theo hướng truyền của sóng hấp dẫn.

Sự dao động này được mô tả trong hình động được phóng đại về mặt cường độ với mục đích giúp cho độc giả dễ dàng hình dung. Trong thực tế một sóng hấp dẫn có cường độ rất bé.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 2: Hiệu ứng của một sóng hấp dẫn phân cực tuyến tính (trái) và phân cực chéo (phải) dạng chữ thập tác động lên một vòng chứa các hạt cố định.

Video dưới đây sẽ giúp độc giả dễ dàng hình dung tác động của sóng hấp dẫn lên không - thời gian tại nơi nó đi qua, cụ thể ở đây là Trái Đất.

Nếu chúng ta có thể chế tạo được một công cụ đủ nhạy để đo được sự biến dạng này, thì chúng ta sẽ có thể thu thập được thông tin do sóng hấp dẫn mang lại.

Hệ giao thoa kế Laser dò tìm sóng hấp dẫn

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 3: Mô hình hệ giao thoa kế Michelson được sử dụng trong dự án LIGO.

Hai đài quan sát giao thoa kế laser được đặt cách nhau bằng thời gian 10 ms di chuyển của ánh sáng. Mỗi đài quan sát là một hệ giao thoa Michelson bao gồm một gương bán mạ nằm ở điểm giao hai cánh tay là hai ống quang học nằm vuông góc với nhau, mỗi ống dài 4 km.

Tia laser sẽ được chiếu đến gương bán mạ, 1 phần ánh sáng laser đi xuyên qua gương và chạm đến Test Mass sau đó phản xạ trở lại gương và bẻ góc 90 độ đến Photodetector. Phần còn lại của tia laser phản xạ 90 độ đến Test Mass của cánh tay còn lại, sau đó phản xạ trở lại xuyên qua gương và chạm đến Photodetector.

Lúc này tại Photodetector cả hai phần của tia laser đều chạm đến, Photodetector sẽ có nhiệm vụ ghi lại và phân tích tín hiệu đến từ 2 phần tia laser này. Bất cứ một sự thay đổi chiều dài đường đi của 1 tia laser nào cũng sẽ được phát hiện với độ nhạy rất cao.

Một sóng hấp dẫn lan truyền đến mặt phẳng của máy dò và bị phân cực tuyến tính song song với cánh tay là các ống quang học dài 4 km sẽ có hiệu ứng kéo dài một cánh tay 4km và làm co ngắn cánh tay còn lại trong một nửa chu kỳ sóng. Những sự thay đổi chiều dài này bị đảo ngược trong nửa chu kỳ còn lại. Máy dò ánh sáng photodetector ghi lại những sự biến động chiều dài ở mỗi cánh tay này. Mặc dù phản hồi trực tiếp của máy dò là đạt cực đại ở trường hợp này, thì nó vẫn đặc biệt đối với hầu hết các góc đến hoặc phân cực khác (sóng hấp dẫn lan truyền tự do xuyên qua Trái Đất).

Photodetector lúc này ghi nhận lại mọi sự thay đổi đó và qua các bước xử lý khó khăn khác, các nhà khoa học của LIGO cuối cùng đã có được kết quả như đã nêu ở đầu bài viết.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 4: Đường đi của tia laser trong hệ giao thoa kế Michelson. Tia laser A khi đến gương bán mạ sẽ tách làm 2 phần A1 và A2, A1 phản xạ vuông góc sang một phía (bên trái), và A2 đi thẳng xuyên qua gương. Sau khi chạm đến Testmass thì cả 2 phần tia laser phản xạ trở lại gương bán mạ. Lúc này A1 đi xuyên qua gương, trong khi A2 phản xạ vuông góc và cả 2 tia cùng đi đến Photodetector.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 5: Tia laser tại photodetector. Nếu không có gì tác động đến hệ giao thoa kế, thì quãng đường đi của cả 2 phần tia laser A1 và A2 là không đổi, do đó sự lệch pha của hai tia này là cố định. Photodetector lúc này sẽ theo dõi độ lệch pha của A1 và A2. Nếu có sóng hấp dẫn lan truyền tới, ảnh hưởng của sóng hấp dẫn sẽ khiến cho không gian chứa đường đi của A1 và A2 thay đổi, do đó quãng đường của 2 phần tia laser này sẽ có một chút thay đổi làm ảnh hưởng đến độ lệch pha của A1 và A2. Bản thân sóng hấp dẫn mang theo những dao động do nguồn phát gây ra, và những dao động đó sẽ được photodetector ghi nhận lại, tái tạo thành dạng đồ thị sóng theo thời gian để các nhà khoa học phân tích.

Kết quả quan sát

Ngày 14/9/2015 lúc 09:50:45 UTC, Đài quan sát LIGO tại Hanford, Washington và tại Livingston, Los Angeles, đã thu được tín hiệu trùng hợp được đặt tên là GW150914 (Hình 6).

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 6: Sự kiện sóng hấp dẫn GW150914 quan sát được bởi các máy dò của LIGO Hanford (H1, hình bên trái) và Livingston (L1, hình bên phải).

  • Hàng đầu tiên bên trái là tín hiệu biến dạng của H1, bên phải là của L1. GW150914 được ghi nhận đầu tiên tại L1 và sau đó khoảng 7 mili-giây  (chính xác là {dpi{120}6.9_{-0.4}^{+0.5} ms}) thì sóng hấp dẫn truyền đến H1. Để dễ so sánh, dữ liệu của H1 cũng được hiển thị bằng cách dịch chuyển bằng đúng khoảng thời gian này và đảo ngược lại (để phù hợp với hướng sắp đặt của máy dò).
  • Hàng thứ 2, Sóng hấp dẫn được tái tạo từ mỗi máy dò trong dải tần 35-350 Hz. Các đường liên tục trong hình là dạng sóng tương đối số học được tái tạo lại với các thông số phù hợp.
  • Hàng thứ 3 là các tín hiệu thừa (nhiễu) được tách ra từ bộ lọc.
  • Hàng thứ 4 là biểu đồ thời gian - tần số được tái hiện lại của dữ liệu biến dạng, cho thấy tần số của tín hiện đang tăng lên theo thời gian.

 Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 7: Hình trên: Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi tần số và biên độ của sóng hấp dẫn dựa trên quỹ đạo của 2 lỗ đen theo khoảng cách ngắn dần, sát nhập, và cuối cùng là thành 1 lỗ đen mới ở trạng thái ổn định.
Hình dưới: Khoảng cách 2 lỗ đen phân biệt Keplerian theo đơn vị của bán kính Schwarzschild ({dpi{120}R_s = 2GM/c^2}) và vận tốc tương đối hiệu nghiệm theo các tham số tiền Newtonian {dpi{120}v/c = (GM \pi f/c^3)^{1/3}}, trong đó f là tần số sóng hấp dẫn được tính toán với tương đối tính số học và M là tổng khối lượng.

Từ hình 6 có thể dễ dàng nhận thấy tín hiệu của sóng hấp dẫn có biên độ lớn hơn so với tín hiệu nhiễu nền (hàng thứ 1).  Sau khi tách khỏi tín hiệu nền (hàng thứ 2), chúng ta có thể nhìn thấy rõ ràng hơn sự thay đổi tần số của sóng hấp dẫn tăng dần từ thấp đến cao. Tất cả sự kiện này chỉ diễn ra trong vòng 20 ms.

Đặc trưng cơ bản của GW150914 là nó được tạo ra bởi sự sát nhập của 2 lỗ đen. Quỹ đạo của 2 lỗ đen này quay quanh nhau theo dạng xoắn ốc (do chúng tiến lại gần nhau) và sau đó là sát nhập vào nhau, và kết quả là một lỗ đen mới được hình thành. Chỉ trong vòng 0.2 giây, tín hiệu tăng lên cả tần số lẫn biên độ trong khoảng 8 chu kỳ từ 35 Hz lên đến cực đại 150 Hz. Sự giải thích xác đáng nhất cho quá trình tiến hóa này là dạng xoắn ốc của quỹ đạo 2 vật thể nặng, m1 và m2, dựa trên sự phát xạ của sóng hấp dẫn. Tại tần số thấp, mỗi sự tiến hóa của đối tượng khối lượng nhỏ được xác định bởi phương trình:

{dpi{150}M = \frac{(m_1 m_2)^{3/5}}{(m_1+m_2)^{1/5}} = \frac{c^3}{G}\left [ \frac{5}{96} \pi ^{-8/3} f^{-11/3} \dot{f} \right ]^{3/5}}

Trong đó, {dpi{120}f} và {dpi{120}\dot{f}} là tần số thu được và đạo hàm theo thời gian của nó. G và c là hằng số hấp dẫn và vận tốc ánh sáng. Ước lượng {dpi{120}f} và {dpi{120}\dot{f}} từ dữ liệu của Hình 6, chúng ta thu được khối lượng nhỏ {dpi{120}M \simeq 30}M, biết rằng tổng khối lượng của cả 2 vật thể M = m1 + m2 là lớn hơn hoặc bằng 70 M. Giới hạn của tổng bán kính Schwarzschild trong các thành phần nhị phân là {dpi{120}2GM/c^2\geqslant 210 km}. Để đạt được một tần số quỹ đạo 75 Hz (một nửa của tần số sóng hấp dẫn), các đối tượng này phải ở rất gần nhau và rất đặc. Một cặp sao neutron mặc dù là vật thể đặc, nhưng vẫn không có đủ khối lượng cần thiết. Trong khi một hệ nhị phân gồm 1 sao neutron và 1 lỗ đen với khối lượng của đối tượng nhỏ như trên sẽ có tổng khối lượng rất lớn, và sẽ sát nhập ở tần số rất thấp.

Điều này dẫn đến việc loại trừ và chỉ còn các lỗ đen là loại đối tượng đặc duy nhất còn lại có thể đạt đến tần số quỹ đạo 75 Hz mà không có tương tác. Ngoài ra, sự phân rã của dạng sóng sau khi đạt đỉnh với dao động tắt dần của lỗ đen phù hợp với cấu hình ổn định Kerr. 

Nguồn: Physical Review Letters

Author: Hiền PHAN
Nguyên chủ nhiệm CLB Thiên văn Bách khoa - PAC (nay là CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC); Nghiên cứu sinh ngành Vật lý thiên văn tại APC Laboratory, Paris Diderot University, Cộng hòa Pháp.


Bài viết nổi bật