Vào lúc 4:50:45 AM (ETS) ngày 14/9/2015,  LIGO phát hiện ra sóng hấp dẫn đầu tiên. Những gơn sóng đã di chuyển đến Trái Đất từ cực Nam, xuyên qua địa cầu của chúng ta và được bắt  trước tiên ở giao thoa kế LIGO Livingston, Louisiana, và 7 mili giây sau đó, tại giao thoa kế LIGO ở Hanford, Washington (hình dưới).

Ở mỗi giao thoa kế hình chữ L, sóng kéo dài một cánh tay L của máy dò, đẩy các gương ở cuối của cánh tay một khoảng bằng một phần của 10^21 ( một phần ngàn tỉ tỉ), tương đương một phần nghìn đường kính của một proton.  Đồng thời, nó rút ngắn một cách tay khác một khoảng tương tự, sau đó dao động kéo dãn và rút ngắn xảy ra thêm khoảng 12 lần trước khi biến mất. Điều này chứng tỏ các con sóng đã đi qua.

Một chùm tia laser phản xạ giữa các gương cảm nhận những chuyển động rất nhỏ một cách tinh tế, và đưa tín hiệu của nó vào trong một đi-ốt quang để chuyển đổi tín hiệu từ ánh sáng thành dòng điện.

Dòng điện chạy qua các bộ khuếch đại và các mạch được thiết kế cẩn thận, sau đó vào một máy tính và gửi tín hiệu qua một chương trình phân tích dữ liệu tự động. Chương trình đó đã tạo ra những hình ảnh này, đưa chúng lên một trang web nội bộ của LIGO để cho tất cả các nhà khoa học trong LIGO Scientific Collaboration (LSC) xem.

Thông tin này nhanh chóng lan nhanh trong số hàng ngàn thành viên của LSC và hàng trăm cộng tác viên về sóng hấp dẫn của Virgo tham gia vào việc phân tích dữ liệu của LIGO. Sự kiện này cuối cùng đã được đặt tên chính thức là GW150914 (Gravitational Wave năm 2015 tháng 09 ngày 14).

Hình trên phát họa một đồ thị theo một hàm của thời gian theo chiều ngang, cho thấy tần số dao động của gương LIGO. Các màu sắc trong hình mô tả cho biên độ  của dao động. Màu xanh da trời tượng trưng cho nhiễun, màu xanh lá biểu thị các dao động đủ mạnh để có thể là do sóng hấp dẫn, và màu vàng thể hiện một dao động rất mạnh. Ở cả Hanford và Livingston, các dao động màu xanh lá và vàng có hình dạng chính xác đúng như chúng ta mong đợi về các sóng hấp dẫn được tạo ra bởi hai vật thể nặng (các lỗ đen hoặc sao neutron) - một hệ nhị phân quay quanh nhau và va chạm.

Theo thời gian, tần số của sóng tăng dần lên, trong trường hợp này là từ 40 Hz (40 chu kỳ mỗi giây) đến khoảng 260 Hz. Tín hiệu cực kỳ mạnh đến mức đáng kinh ngạc, vượt qua cả sự kỳ vọng của bất kỳ ai cho lần đầu tiên LIGO phát hiện ra sóng hấp dẫn.

Dạng sóng hấp dẫn và tính chất của nguồn

Các nhà khoa học nhận thấy tín hiệu thật sự rất mạnh, họ có thể nhìn thấy nó bằng mắt khi họ phát họa ra sự kéo dài ra và co lại - hình dạng của sóng - theo một hàm của thời gian. Điều này thực sự gây bất ngờ vì trước đó các nhà khoa học đã nghĩ phải tách tín hiệu đầu tiên mà họ thu được ra khỏi các tín hiệu gây nhiễu bằng cách sử dụng các kỹ thuật phân tích dữ liệu phức tạp, một phần dựa vào các mô phỏng tương đối số. Và các dạng sóng ở hai vị trí mà LIGO bắt được đều giống nhau, ngoại trừ nhiễu còn sót lại. Hai đồ thị dưới đây, dựa trên hình 1 trong bài báo đăng về phát hiện này, cho thấy các tín hiệu sóng hấp dẫn mà LIGO quan sát được.

Để kiểm tra chắc chắn rằng đây thực sự là sóng hấp dẫn, các nhà khoa học LSC / Virgo trích xuất nhiễu từ thiết bị  bằng cách tốt nhất có thể và so sánh nó với các dạng sóng theo lý thuyết tạo một hệ nhị phân  đã được mô phỏng bởi sự cộng tác của SXS. Các dạng sóng quan sát được ở hai vị trí được hiển thị bằng màu xám trong đồ thị phía dưới của hình trên. Chiều rộng của các đường cong màu xám biểu thị sự không chắc chắn về dạng sóng quan sát được, do nhiễu tín hiệu. Các đường cong màu đỏ và xanh biểu thị cho dạng sóng SXS phù hợp nhất với dạng sóng quan sát được.

Hai dạng sóng hoàn toàn giống nhau. Nó cho chúng ta biết nguồn của dạng sóng hấp dẫn là một cặp hố đen, di chuyển theo quỹ đạo xoắn ốc với nhau, va chạm, và sáp nhập thành một lỗ đen duy nhất, với một lỗ đen nặng gấp 36 lần so với mặt trời, cái còn lại gấp 29 lần khối lượng mặt trời, và lỗ đen sau khi hợp nhất có  khối lượng gấp 62 lần. Trên lý thuyết, lỗ đen cuối cùng phải có khối lượng là 29+36=65 lần so với mặt trời, nhưng thực tế chỉ có 62 lần, sự chênh lệch này nói với chúng ta rằng các sóng hấp dẫn đã mang theo năng lượng bằng ba lần khối lượng mặt trời. Nó giống như tất cả khối lượng của 3 mặt trời công lại được chuyển đổi thành năng lượng thuần túy dưới dạng sóng hấp dẫn! Và từ mô phỏng của SXS, chúng ta biết rằng trong thời gian rất ngắn của vụ va chạm, công suất (năng lượng trên một đơn vị thời gian) được đưa vào các sóng hấp dẫn lớn hơn tổng công suất phát ra từ tất cả các ngôi sao trong vũ trụ. Ngoại trừ Big Bang ra, đây thực sự là một sự kiện mạnh mẽ nhất mà con người từng quan sát được.

Một vài video mô phỏng bằng máy tính được thực hiện bởi GW150914

Sau đây là các đoạn phim mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng Mã Phổ l Einstein (SpEC). Mô phỏng cho thấy mô hình lỗ đen đang va chạm.

LIGO đã chứng kiến ​​những đợt sóng hấp dẫn từ hai hố đen đã sáp nhập cách chúng ta  hơn một tỷ năm ánh sáng từ Trái đất. Mô phỏng trên cho thấy gần giống những gì đã diễn ra nhưng đã được làm chậm lại. Nếu đoạn phim này được phát lại trong thời gian thực, nó sẽ kéo dài khoảng một phần ba giây.

Trong video, những lỗ đen đang ở gần chúng ta, trước bầu trời đầy sao, khí và bụi.

Những vùng màu đen trong mô phỏng là bóng của hai lỗ đen: không có bất kỳ ánh sáng nào tiếp cận được chúng ta từ các vùng này . Ánh sáng từ mỗi ngôi sao hoặc khí và bụi đến mắt chúng ta bị lệch hướng trên đường đi bởi lực hấp dẫn của lỗ đen và không-thời gian bị bẻ cong. Hiện tượng này được gọi là “thấu kính hấp dẫn”. Và cũng do hiện tượng này, hình ảnh của sao, khí và bụi sẽ thay đổi theo những cách hấp dẫn và lôi cuốn, trong khi hai lỗ đen quay quanh nhau sau đó va chạm và hợp nhất.

Vòng tròn xung quanh các lỗ đen, được gọi là "vòng Einstein" (Einstein ring), phát sinh từ tất cả các ngôi sao trong một vùng nhỏ phía sau các lỗ đen; thấu kính hấp dẫn làm mờ hình ảnh của chúng thành hình dạng của một cái vòng trông như chiếc nhẫn.

Nếu một người ở gần lỗ đen, anh ta sẽ không thể nhìn thấy được sóng hấp dẫn (nhưng vẫn có thể cảm nhận được) do đó không hiển thị trong video này, trừ một ngoại lệ quan trọng: Các sóng hấp dẫn đang di chuyển ra phía ngoài tới khu vực nhỏ phía sau các lỗ đen làm nhiễu hình ảnh của các sao của khu vực vòng Einstein, làm cho chúng rơi xuống trong vòng, ngay cả sau vụ va chạm. Sóng hấp dẫn di chuyển theo các hướng khác nhau làm cho dao động yếu hơn, và ngắn hơn, ở khắp mọi nơi bên ngoài vòng Einstein.

Credit: SXS Lensing

Mô phỏng số của hai lỗ đen sáp nhập để tạo thành một lỗ đen mới. Trong mô phỏng này thể hiện những chân trời sự kiện, trường hấp dẫn mạnh xung quanh các hố đen và những sóng hấp dẫn được tạo ra.

Lúc đầu, hình ảnh cho thấy hai lỗ đen đang ở khoảng cách xấp xỉ. 30.000 km. Trong video, vùng màu cam là để mô tả cho sóng hấp dẫn. Các lỗ đen được bao quanh bởi một trường hấp dẫn mạnh, có thể nhìn thấy rõ ràng hơn khi chúng ta phóng to. Độ mạnh của trường hấp dẫn giảm dần từ phía trong (màu xanh lá cây) ra phía ngoài (màu đỏ). Khi chúng ta mở rộng trường nhìn, có thể nhìn thấy sóng hấp dẫn một lần nữa. Các vùng màu cam nhạt bây giờ xuất hiện đại diện cho các sóng hấp dẫn rất mạnh được phát ra dọc theo trục quay (vuông góc với quỹ đạo). Cuối cùng khi hai lỗ đen hợp nhất, như ta thấy trong video chỉ có lỗ đen và trường hấp dẫn mạnh, không có sóng.

Mô phỏng: S. Ossokine , A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics)

Scientific Visualization: W. Benger (Airborne Hydro Mapping GmbH)

Video này mô phỏng quá trình hợp nhất của hai lỗ đen tương đương với GW150914. Trong đó, những chân trời của các hố đen là những quả cầu màu đen và bề mặt màu bên dưới tượng trưng hình học cho không-thời gian bị bẻ cong. Một bán cầu của chân trời lỗ đen được tô màu để làm nổi bật sự thay đổi trục quay trong quá trình sáp nhập. Chiều cao của bề mặt màu minh họa độ cong của không gian, màu sắc từ màu đỏ sang màu xanh lá cho biết thời gian bị trôi chậm lại ở gần lỗ đen, còn màu xanh dương và tím ở phía ngoài cho thấy sóng hấp dẫn đang lan truyền ra xa.

Credit: SXS / Viện Vật lý thiên văn Canada / SciNet

Một mô phỏng sóng hấp dẫn bằng máy tính từ các lỗ đen sáp nhập mà LIGO quan sát thấy. Không gian ba chiều của chúng ta được hiển thị như là một bề mặt hai chiều, với một chiều đã bị loại bỏ. Lực hút mạnh của các lỗ đen làm cong không gian gần chúng thành các hình dạng phễu. Khi những lỗ đen xoắn ốc lại với nhau và hoà vào nhau, các gợn sóng hấp dẫn truyền ra ngoài. Đoạn phim này đã được chiếu chậm lại, chậm hơn 40 lần so với thời gian thực.

Mô phỏng cho thấy sóng hấp dẫn được tạo ra bởi hai lỗ đen đang quay quanh nhau. Độ mạnh của sóng hấp dẫn được thể hiện bằng độ cao cũng như màu sắc, với màu đỏ đậm cho thấy các trường yếu và màu vàng nhạt cho thấy các trường mạnh. Các ống màu vàng thể hiện các mặt cắt ngang của vị trí trước đây và hình dạng của các lỗ đen khi chúng di chuyển theo hình xoắn ốc về phía nhau. Tương tự các đoạn video trước, đoạn này cũng được xử lý chậm lại: Đối với hai lỗ đen với khoảng 29 và 36 lần khối lượng mặt trời, toàn bộ quá trinh chuyển động sẽ kéo dài khoảng 1 giây từ đầu đến cuối và tần số của sóng hấp dẫn sẽ bắt đầu từ 19 Hz sau đó tăng lên khi các lỗ đen tiếp cận nhau.

Mô phỏng: S. Ossokine , A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics)

Scientific Visualization : R. Haas (Max Planck Institute for Gravitational Physics)

Video này miêu tả sự ra đời của sóng hấp dẫn 1,3 tỉ năm trước mà LIGO đã khám phá ra vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, bởi hai lỗ đen quay quanh nhau, sau đó va chạm và hợp nhất. Ở vùng sáng màu xanh lá cây, sóng kéo giãn không gian; trong vùng tối màu xanh lá cây, nó làm không gian co lại. Khi hai lỗ đen gần nhau, những con sóng trở nên mạnh mẽ hơn và sự tách biệt giữa chúng cũng ngắn hơn, tao ra một “tiếng huýt” (âm cao) . Hai lỗ đen va chạm và sáp nhập tạo thành một lỗ đen mới, đưa sóng lên đến đỉnh điểm. Lỗ đen sơ sinh rung động một thời gian, sau đó trở nên yên tĩnh và ngừng tạo ra sóng. Những con sóng rời khỏi vùng lân cận lỗ đen, từ biệt nơi vừa sinh ra chúng và du hành vào vũ trụ, mang theo tin tức về sự va chạm của hai lỗ đen. Phim này đang chuyển động chậm; nếu nó được phát lại trong thời gian thực, nó sẽ kéo dài chỉ 2/3 giây.

(Còn tiếp...)

Nguồn : SXS

Tham khảo:

Mục lục

  1. Sóng hấp dẫn - những gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian
  2. GW1509014: Những gợn sóng hấp dẫn đầu tiên được phát hiện bởi LIGO
  3. Nguồn phát sóng hấp dẫn
    • Các vật thể đặc trong vũ trụ
    • Những khoảnh khắc đầu tiên - Vũ trụ khai sinh bởi một vụ nổ khủng khiếp nhất
    • Những khả năng kỳ lạ - Những đối tượng chỉ mới đang trong tưởng tượng của các nhà vật lý
    • Thứ chưa biết - những kỳ quan chưa được khám phá
  4. Một lĩnh vực hoàn toàn mới của Thiên văn học
  5. Một lĩnh vực hoàn toàn mới của Quan sát thực nghiệm
  6. Mò kim đáy bể
Author: Tô Thảo Nhi

Bài viết xem nhiều