Các nhà khoa học đã tìm ra sóng hấp dẫn bằng cách nào?

Như chúng ta đã biết, sóng hấp dẫn cuối cùng cũng được phát hiện trực tiếp, sau đúng 100 năm Einstein dự đoán sự tồn tại của chúng. Kết quả được thực hiện bởi Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO), với sự trợ giúp của những thiết bị tối tân tại hai cơ sở Louisiana và Washington, Hoa Kỳ.

Trở lại năm 1916, chính Albert Einstein cũng hoài nghi rằng con người sẽ không thể phát hiện ra những sóng hấp dẫn trên Trái Đất. Lí do vì khi những gợn sóng của không-thời gian truyền tới hành tinh chúng ta, chúng sẽ có kích thước rất nhỏ để quan sát.

Vậy LIGO đã làm như thế nào để hiện thực hóa lời tiên đoán thế kỷ của Einstein? Chúng ta hãy cùng đi tìm câu trả lời trong những thí nghiệm của các nhà khoa học suốt hàng thập kỷ.

Một nhà nghiên cứu thiết lập thí nghiệm tại cơ sở thí nghiệm của LIGO

Các gợn sóng sẽ rất khó phát hiện

Sóng hấp dẫn là những gợn biến dạng lăn tăn của không-thời gian. Trên lý thuyết chúng được hình thành bởi bất kể một vật thể có khối lượng nào đang di chuyển. Ngay cả Mặt Trời, Trái Đất hay Mặt Trăng đều sẽ tạo ra những gợn sóng hấp dẫn.

Chỉ có điều, chúng quá nhỏ cho bất kể một máy đo nào phát hiện, kể cả LIGO. Đây chính là lí do khiến chính Einstein, tác giả của Thuyết Tương đối rộng, cho rằng loài người sẽ không thể quan sát được sóng hấp dẫn.

Mặc dù vậy, trong vòng 100 năm, các nhà khoa học luôn bị cuốn hút về ý tưởng của Einstein. Họ đi tìm kiếm những gợn sóng ở xa xôi trong vũ trụ, chúng được tạo nên từ những hiện tượng “cực đoan”.

Chỉ những sự kiện cực đoan trong vũ trụ mới có thể khiến sóng hấp dẫn đủ mạnh để phát hiện

Khi hai ngôi sao neutron va chạm, hai hố đen sáp nhập hay vụ nổ thảm khốc của một sao khổng lồ, chúng đủ khả năng tạo ra những đợt sóng hấp dẫn khủng khiếp tại địa điểm xảy ra sự kiện. Mặc dù vậy, khi truyền tới Trái Đất, một đợt sóng trên quy mô 1 triệu km sẽ chỉ còng có thể ghi nhận ở kích thước 1 nguyên tử. Các nhà khoa học phải tận dụng cơ hội của họ. Nó được đánh giá vào khoảng 1 phần 6 triệu.

Một phiên bản máy dò thất bại

Những thập niên 50 của thế kỷ trước, không nhiều nhà khoa học để ý đến sóng hấp dẫn, một phần cũng bởi chính những nghi ngờ của Einstein. Mặc dù vậy, Joseph Weber, một nhà vật lý người Mỹ làm việc tại Đại học Maryland, đặc biệt hứng thú với điều đó.

Tận dụng kì nghỉ phép của mình năm 1955-1956, Weber xin một nguồn tài trợ lớn để nghiên cứu sóng hấp dẫn. Ông thiết kế và chế tạo một thiết bị với tên gọi “thanh Weber”. Nó là một ống xi lanh nhôm siêu sạch, nặng hơn 1 tấn, dài 2 mét và có đường kính 1 mét. Cùng với đó Weber lắp đặt nhiều ăng-ten radio để phát hiện sóng hấp dẫn.

Joseph Weber và thiết bị của mình những năm 1960

Ông lập luận: sóng hấp dẫn sẽ tới chuông nhôm và khiến nó giãn nở rất nhẹ. Sau khi bị bị biến dạng và đàn hồi lại trạng thái ban đầu, nó sẽ tạo ra những sóng âm cực kì nhỏ bên trong đối tượng. Để tách sóng âm này ra khỏi những nhiễu loạn của dao động nhiệt, ông đặt hai thiết bị giống hệt nhau ở khoảng cách 1.000 km. Nếu sóng âm trong hai máy dò giống nhau, nó là sóng hấp dẫn.

Trong khoảng 2 đến 3 tháng đo đạc, thiết bị của Weber cho những kết quả khả quan. Ông tìm thấy hơn 20 sự kiện trùng hợp. Cuối những năm 1960, Weber xuất bản những kết quả nghiên cứu của mình. Nó đã tạo nên một làn sóng lớn trong giới khoa học, chẳng khác nào niềm hứng khởi trong những ngày này, sau phát hiện của LIGO.

Thí nghiệm của Weber liên tục được sao chép trên toàn thế giới. Ông thậm chí đã gửi một thiết bị dò sóng hấp dẫn của mình lên Mặt Trăng trong sứ mệnh Apollo 17 năm 1972.

Weber kiểm tra modul đo sóng hấp dẫn trước khi được gửi lên Mặt Trăng

Tuy nhiên, một vấn đề lớn xảy ra với công trình của Weber, không một đội thí nghiệm nào có thể lặp lại những phát hiện mà ông đã làm. Một số khác tìm ra những sai lầm trong chương trình dò tìm của Weber. Trong khoa học, khi một thí nghiệm không thể lặp lại, nó nhanh chóng mất giá trị.

Vài năm sau đó, một số nhóm nghiên cứu quyết định cải tiến máy dò của Weber để giảm nhiễu, nhưng kết quả cuối cùng vẫn là không phát hiện sóng hấp dẫn. Đến cuối những năm 1970, không một nhà nghiên cứu nào theo đuổi phương pháp dò tìm sóng hấp dẫn này nữa, ngoại từ Weber. Ông vẫn tin tưởng vào phát hiện của mình cho đến khi qua đời năm 2000 ở tuổi 81.

Ý tưởng về thế hệ máy dò LIGO

Máy dò của LIGO hiện nay được phát triển trên nguyên mẫu của nhà vật lý Rainer Weiss, đến từ Viện Công nghệ Massachusetts. Nó được tính là thế hệ máy dò tìm sóng hấp dẫn thứ 3, sau những “thanh Weber” cải tiến.

Thực chất, Weiss đã hình thành nên ý tưởng của mình về dò tìm sóng hấp dẫn năm 1967, khi đang giảng dạy về thuyết tương đối rộng. Đây cũng là thời gian Weber công bố những công trình đầu tiên về sóng hấp dẫn.

Các sinh viên của Weiss rất tò mò về thí nghiệm của Weber. Khi được đề nghị giải thích về nó, Weiss đã hoàn toàn bối rối. Ông nhận rằng những kiến thức ông có về Thuyết Tương đối rộng đang tỏ ra mẫu thuẫn với thí nghiệm của Weber. Một trong hai người phải mắc sai lầm.

Thay vào giải thích những thí nghiệm của Weber, Weiss giảng cho sinh viên của ông về cách sóng hấp dẫn thay đổi thời gian ánh sáng truyền đi trong không gian. Ông làm điều này một cách ngẫu hứng.

Hai nhà đồng sáng lập LIGO: Rainer Weiss (trái) và Kip Thorne(phải) trong buổi họp báo ngày 11 tháng 2

Tuy nhiên, một năm sau đó, cộng đồng khoa học nhận ra sự sai lầm của Weber. Điều này khiến cho Weiss quay lại suy nghĩ nghiêm túc về ý tưởng ông đã giảng cho sinh viên của mình. Ông làm việc trong suốt một mùa hè và thực sự tìm ra mô hình mà giúp LIGO phát hiện ra sóng hấp dẫn, sử dụng ánh sáng laser.

Không lâu sau đó, Weiss bắt tay vào xây dựng nguyên mẫu của hệ máy dò LIGO hiện tại. Nó được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu điện tử và sử dụng nguồn tài trợ của quân đội Hoa Kỳ. Các ống dẫn laser trong nguyên mẫu chỉ có độ dài 1,5 mét.

Tuy nhiên, quân đội thực sự không có hứng thú với những nghiên cứu cơ bản như vậy. Weiss phải đối mặt với việc phải đi tìm một nguồn tài trợ khác. Weiss nói dấu mốc quan trọng cho công trình này chính là năm 1975, khi ông gặp Kip Thorne trong khuôn khổ một hội nghị của NASA.

Hai người đã chia sẻ những ý tưởng để thúc đẩy dự án dưới một nguồn tài trợ mới đến từ Quỹ khoa học Quốc gia (NSF). Tuy nhiên cũng phải mất tới 17 năm để LIGO chính thức được thành lập và thêm 16 năm nữa cho thành quả ngày hôm nay của họ.

Cách mà thí nghiệm của LIGO hoạt động

Nguyên lý hoạt động của hệ thiết bị tại LIGO

Trái tim của dự án LIGO chính là những hệ thống giao thoa sử dụng laser khổng lồ. Ý tưởng về nó thì rất đơn giản, như những gì Weiss giảng cho sinh viên của ông đều có thể hiểu.

Một chùm tia laser được phát ra, tách đôi theo hai đường ống dài 4 km bằng nhau. Cuối mỗi đường ống, các nhà khoa học đặt một gương phản chiếu để tia laser quay ngược lại điểm tách.

Lẽ dĩ nhiên, khi các tia laser đi trên các đoạn đường bằng nhau, chúng phải trở lại điểm tách cùng lúc và cùng trạng thái. Khi đó, hai tia tự triệt tiêu nhau. Cảm biến phía cuối một đường hầm không thể phát hiện ra tín hiệu.

Sóng hấp dẫn sẽ khiến máy dò của LIGO ở trên một mặt phẳng biến dạng như thế này

Tuy nhiên, nếu bạn đặt hệ thống này vào một mặt hồ của sóng hấp dẫn như trên đây. Nó sẽ khiến cả hệ thống hình chữ L “bồng bềnh” trên đó. Kết quả là sóng hấp dẫn kéo dài khoảng cách của một đường ống, còn thu ngắn khoảng cách của đường ống còn lại. Đó là cách nó uốn cong không thời gian.

Khi có sự thay đổi về không thời gian trong hai đường ống, tia laser gặp nhau ở điểm tách sẽ “bị lệch” so với nhau. Chúng không tự triệt tiêu nhau và để lại những “nhấp nháy” trên cảm biến cực nhạy ở cuối đường hầm. Thiết bị của LIGO hiện nay có thể phát hiện những biến dạng không-thời gian ở khoảng cách 10^-18 m, đủ đề nhạy cảm với sóng hấp dẫn đến từ các lỗ đen sáp nhập.

Mô phỏng thí nghiệm của LIGO

Một điều quan trọng nữa, tại sao LIGO phải cần đến hai hệ thống giao thoa laser, một tại Louisiana và một tại Washington? Ý tưởng này tương tự cách mà Weber đặt hai thiết bị của ông cách nhau 1000 km. Chúng sẽ giúp loại bỏ những nhiễu loạn. Chỉ khi cả hai cơ sở cho những kết quả trùng khớp nhau, các nhà khoa học mới chắc chắn về sóng hấp dẫn.

Hứa hẹn của một giải Nobel

Sóng hấp dẫn được quan sát sẽ mở ra một kỷ nguyên mới cho thiên văn học. Các nhà khoa học sẽ có thêm một công cụ tuyệt vời để quan sát vũ trụ. Nhiều điều bí ẩn đang được che dấu khỏi kính thiên văn và các công cụ quan sát bằng sóng điện từ sẽ dần hé lộ dưới các đợt sóng hấp dẫn.

Nhà vật lý Rainer Weiss, người đã tìm ra cách đo sóng hấp dẫn

Nhiều nhà khoa học nhận định phát hiện của LIGO 90% sẽ giành được một giải Nobel trong những năm tới. Và nếu muốn tìm một ứng viên sáng giá đứng trên bục nhận giải, đó là Rainer Weiss.

Khi được hỏi về điều này, ông tỏ ra ngần ngừ “Tôi không thích nghĩ về điều đó”. Trong một cuộc phỏng vấn tại Viện Công nghệ Massachusetts, Weiss nói phát hiện của LIGO chỉ khiến ông cảm thấy nhẹ nhõm:

“Có một con khỉ đã ngồi trên vai tôi suốt 40 năm. Nó không ngừng càu nhàu vào tai tôi: “Ê, làm sao ông biết được những thứ này sẽ làm việc chứ? Có cả tá người đã nói với ông rằng nó không làm việc phải không?”. Và rồi đột nhiên, nó nhảy xuống. Thật là nhẹ nhõm”.

Tham khảo Wikipedia, Businessinsider, Ifscience, Cardiff, MIT