Với sự ra đời của Thuyết Tương đối Tổng quát (1915), khái niệm về “lực hấp dẫn” (gravitation) đã được thay đổi dựa trên lý thuyết vật lý mới này. Theo đó, sự hiện diện của một vật thể có khối lượng và mang năng lượng sẽ làm “biến dạng” hay uốn cong không-thời gian quanh nó. Vùng biến dạng không-thời gian này chính là trường hấp dẫn của một vật thể và nó sẽ ảnh hưởng lên chuyển động của các vật thể khác nằm trong trường hấp dẫn. Độ biến dạng tỷ lệ thuận với khối lượng của vật thể, biến dạng càng nhiều lực hấp dẫn càng lớn.
Quan điểm mới của Einstein cho rằng lực hấp dẫn là do tác động của sự cong vênh của không-thời gian, khác với “trò kéo co” (lực tác dụng trên đường thẳng nối giữa tâm hai vật) như hình dung của Newton trước đây.
Với lực hấp dẫn là hiệu ứng của biến dạng không-thời gian, và không-thời gian là tĩnh theo Thuyết Tương đối, vậy nên để tạo ra sóng hấp dẫn (gravitational waves) sẽ phải có sự chuyển động của các khối lượng, chúng sẽ gây ra những biến đổi tuần hoàn trong trường hấp dẫn. Hay nói cách khác, sóng hấp dẫn chính là những gợn sóng trong kết cấu không-thời gian, giống như sóng nước là những gợn sóng trên mặt nước.
Từ bộ phương trình của Maxwell, cha đẻ lý thuyết Điện từ, và bộ phương trình của Einstein, chúng ta có kết luận sóng hấp dẫn lan truyền với tốc độ ánh sáng. Nhưng khác với sóng điện từ, sóng hấp dẫn không dễ bị hấp thụ bởi vật chất, do đó có thể truyền đi với khoảng cách rất xa và vì vậy sóng từ những nguồn rất xa có thể đến được với chúng ta. Điều này là bởi tương tác hấp dẫn yếu hơn 1036 lần tương tác điện từ.
Mọi vật thể có khối lượng và gia tốc đều gây nên sóng hấp dẫn, tuy nhiên sóng hấp dẫn do những chuyển động của chúng ta trên Trái Đất là quá nhỏ để phát hiện, ngay cả sóng hấp dẫn gây ra bởi các hành tinh hay những ngôi sao như Mặt Trời cũng là rất yếu để phát hiện trong những thử nghiệm trước đây. Vì vậy, để phát hiện sóng hấp dẫn, chúng ta cần phải cân nhắc đến những nguồn có khối lượng khổng lồ và gia tốc cực lớn trong vũ trụ (hai hố đen/sao neutron quay quanh nhau, siêu tân tinh, v.v.).
PHÁT HIỆN SÓNG HẤP DẪN - DỰ ÁN LIGO
5 giờ 51 phút sáng (EDT), ngày 14 tháng 9 năm 2015, hai trạm quan sát sóng hấp dẫn đặt tại Louisiana và Washington Hoa Kỳ đều phát hiện được tín hiệu sóng hấp dẫn từ GW150914, nguồn sóng được xác định là từ sự sáp nhập của hai hố đen trong một thiên hà cách Trái Đất khoảng một tỷ năm ánh sáng.
Năm 1962, hai nhà khoa học Mikhail Gertsenshtein và Vladislav Pustovoit đã chỉ ra rằng phép đo giao thoa có thể xây dựng lên một mô hình cực nhạy để dò sóng hấp dẫn. Cụ thể ý tưởng đó như sau:
Sơ đồ giao thoa kế Michelson cơ bản (Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab)
Chúng ta có một nguồn phát laser chiếu đến một thiết bị tách chùm (một chiếc gương), thiết bị này sau đó sẽ tách chùm laser từ nguồn thành hai tia laser chiếu đến hai gương có độ phản xạ cao tạo thành hai nhánh trực giao (hình c). Vị trí tương đối giữa hai chiếc gương này được tính toán để hiệu khoảng cách giữa chúng bằng bội số lẻ lần nửa bước sóng của tia laser (Δd = mλ/2), để khi chúng chiếu đến sau đó bị phản xạ ngược lại và hội tụ ở chiếc gương phân tách sẽ triệt tiêu nhau và ta không quan sát được ánh sáng phát ra. Nhưng khi có sóng hấp dẫn truyền tới và làm dịch chuyển vị trí hai chiếc gương, sự giao thoa của hai tia laser này sẽ thay đổi và các photon tạo ra sẽ được thiết bị (chấm đen) phát hiện và chuyển đổi thành electron, một dòng điện với hiệu điện thế ta có thể đo lường.
Bởi vì sóng hấp dẫn là rất yếu nên sự dịch chuyển nó có thể gây ra với hai chiếc gương cũng rất nhỏ. Với tính toán của mình, Michelson, người đã nghĩ ra mô hình trên ước tính rằng, với khoảng cách từ một chiếc gương đến thiết bị tách sóng (L) là 1 km thì sự thay đổi mà chúng ta phải đo được ước tính chỉ là 10-18 hay một phần nghìn chiều rộng của một proton!
Vì vậy vào năm 1972, một cuộc điều tra nghiên cứu chi tiết về các điều kiện yêu cầu nhằm loại bỏ các nguồn gây nhiễu để xây dựng nên giao thoa kế đã được nhà khoa học Reiner Weiss của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) thực hiện. Theo đó, một số yêu cầu chính để đo được sóng hấp dẫn là (1) thiết bị của chúng ta phải được xây dựng trong chân không để loại bỏ nhiễu khi tia laser va chạm với các phần tử trong không khí, (2) sử dụng một hệ thống treo phức tạp để giữ gương ổn định nhất, tách biệt khỏi mọi tác động từ mặt đất, (3) khoảng cách L sẽ phải dài nhất có thể và (4) chùm laser được dùng sẽ là chùm laser cực mạnh.
Từ nghiên cứu của Weiss, các giao thoa kế của Đài quan sát Sóng hấp dẫn LIGO đã được tiến hành xây dựng. Hiện tại, có bốn giao thoa kế dò sóng hấp dẫn quy mô lớn đang hoạt động trên toàn thế giới, gồm hai giao thoa kế cao cấp dài 4 km ở Hoa Kỳ, giao thoa kế Virgo dài 3 km ở Ý và giao thoa kế GEO600 dài 600 m ở Đức, ngoài ra, còn có hai giao thoa kế TAMA300 và KAGRA ở Nhật Bản. Các dự án đang được lên kế hoạch phát triển và xây dựng là (1) Cosmic explorer với mô hình tương tự LIGO nhưng sẽ có cánh tay dài 40km, (2) kính viễn vọng Einstein dưới lòng đất và (3) các đài quan sát trong không gian, gồm LISA của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, TianQuin của Viện Khoa học Trung Quốc và DECIGO do Nhật Bản lên kế hoạch, tất cả đều có kế hoạch sẽ phóng vào năm 2030.
ĐIỀU NÀY CÓ Ý NGHĨA GÌ?
Từ trước đến nay, hầu hết thông tin chúng ta có về vũ trụ đều được nghiên cứu từ bức xạ điện từ (ánh sáng nhìn thấy, tia X, sóng vô tuyến, vi sóng, v.v.). Tuy nhiên, sóng hấp dẫn hay những rung động trong kết cấu không-thời gian là một loại thông tin hoàn toàn khác so với bức xạ điện từ. Nếu với bức xạ điện từ chúng ta ví như có thị giác để quan sát vũ trụ, thì bây giờ với sóng hấp dẫn chúng ta có được thính giác. Sóng hấp dẫn có thể được hình thành từ những sự kiện không tạo ra ánh sáng, do đó có thể cung cấp những dữ liệu mà thiên văn truyền thống, vốn dựa vào ánh sáng, không thể quan sát được. Hay đối với những sự kiện như sự hợp nhất sao neutron, sóng hấp dẫn được phát hiện có thể cho ta biết những thông tin về sự kiện này trước sự va chạm và ánh sáng được giải phóng. Quan trọng hơn, sóng hấp dẫn tương tác rất yếu với vật chất, do đó có thể bảo toàn và mang thông tin truyền qua vũ trụ một cách toàn vẹn.
Việc phát hiện sóng hấp dẫn như mở ra một cánh cửa mới, cho phép chúng ta quan sát vũ trụ theo cách chưa từng có trước đây, mở ra cơ hội cho những phát hiện và nghiên cứu mới quan trọng và chính xác hơn về vũ trụ của chúng ta.
THAM KHẢO
[1] Pushpa Khare, 2023, Nobel Prizes in Astronomy
[2] LIGO Scientific Collaborator, OBSERVATION OF GRAVITATIONAL WAVES FROM A BINARY BLACK HOLE MERGER
[3] Brian Clegg, 2018, GRAVITATIONAL WAVES How Einstein's Spacetime Ripples Reveal the Secrets of the Universe
[4] Maurizio Consoli - Alessandro Pluchino, 2019, Michelson - Morley Experiments An Enigma for Physics and the History of Science
[6] Why detect GW?
