Chuẩn bị bật lại cỗ máy phát hiện ra sóng hấp dẫn. Nó đã mạnh hơn 40% so với trước!

Đây là một trong những thử nghiệm đáng chú ý nhất trong lịch sử khoa học nhân loại: Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser - Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, viết tắt là LIGO. Thứ Hai tới, nó sẽ "tỉnh dậy" sau giấc ngủ kéo dài nửa năm, với thêm 40% công lực so với lần trước. Trong khám phá gần nhất, LIGO đã khẳng định được sự tồn tại của sóng hấp dẫn, chứng minh được "lời tiên tri" mà Einstein để lại 100 năm trước.

Năm 1905, Henri Poincaré lần đầu tiên nêu lên khái niệm "sóng hấp dẫn"; năm 1915, Einstein dự đoán về sự tồn tại của những đợt sóng gây rung động toàn bộ lớp nền không-thời gian. Tuy nhiên, thiên tài người Đức không nghĩ rằng khoa học có thể chứng kiến được chúng. Albert Einstein cho rằng sóng hấp dẫn quá yếu, sẽ bị hòa lẫn với những tạp âm có trên Trái Đất. May mắn là Einstein đã nhầm ở khoản này.

Hàng trăm nhà khoa học liên tục làm việc với LIGO suốt khoảng thời gian từ 2002 cho tới 2015 nhưng đều thất bại trong việc phát hiện sóng hấp dẫn. Các bằng chứng khoa học cho thấy việc hai hố đen va chạm có thể tạo ra những đợt sóng hấp dẫn đủ mạnh, đủ lớn để LIGO phát hiện ra.

Tháng Chín năm 2015, hệ thống LIGO mới được cải tiến đã lần đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn, gây ra bởi hai hố đen va chạm cách ta 1,3 tỷ năm ánh sáng. Tháng Mười hai cùng năm đó, họ phát hiện ra một vụ va chạm thiên thể thứ hai và một đợt sóng hấp dẫn nữa. Đến năm 2017, ba nhà khoa học góp công lớn tạo nên hệ thống LIGO đã nhận giải Nobel Vật lý.

Phát hiện về sự tồn tại của sóng hấp dẫn đã khiến giới khoa học thay đổi. Từ thời điểm lịch sử, LIGO đã phát hiện ra thêm 11 lần thiên thể Vũ trụ va chạm. Tuy nhiên, ngành thiên văn học nghiên cứu sóng hấp dẫn vẫn còn trong giai đoạn trứng nước, và các thiết bị phát hiện sóng – LIGO và VIRGO – đều đang được tinh chỉnh đến mức hiệu quả nhất có thể.

LIGO sắp thức tỉnh sau giấc ngủ dài nửa năm, và sẽ mạnh mẽ hơn nhiều với một loạt cập nhật phần cứng mới. Các nhà khoa học nhận định nó đã nhạy hơn 40% so với thời kỳ hoạt động gần nhất, từ tháng Mười một năm 2016 tới tháng Tám năm 2017.

"Chắc chắn chúng tôi sẽ phát hiện thêm nhiều sóng hấp dẫn nữa, từ những nguồn xác định được", Peter Fritschel, trưởng dự án phát hiện sóng hấp dẫn tại LIGO nói trong buổi họp báo. "Chúng tôi nóng lòng chờ đợi những sự kiện thiên văn mới, như hai hố đen nhập làm một hay hai ngôi sao neutron va chạm".

Dự kiến, LIGO sẽ hoạt động hết công suất trong suốt 12 tháng.

Đây là cách LIGO hoạt động

Thực chất, LIGO cấu thành từ hai thiết bị gần giống hệt nhau, hợp lực để phát hiện ra sóng hấp dẫn cực yếu.

Hai thiết bị có hình chữ L, dài tới 4 km mỗi cánh, cách nhau tới hơn 3.000 km. Một nằm ở Hanford Site tại Washington, một nằm tại Livingston ở Louisiana. Chúng "bất lực" trong nhiều năm, cho tới khi được cập nhật vào năm 2015.

Một trong những khám phá gây bất ngờ nhất là vụ va chạm của hai sao neutron. Nhờ đó, ta mới có thêm bằng chứng khẳng định vàng, bạc, platinum và nhiều nguyên tố khác trong Bảng Tuần hoàn Hóa học tới từ những hiện tượng thiên văn tương tự.

Để phát hiện được sóng hấp dẫn, mỗi thiết bị LIGO bắn ra một tia laser,, tách ra làm hai nhờ một lớp lọc đặc biệt. Một tia chạy dọc đường ống dài 4 km, một tia chạy dọc một ống tương tự được đặt vuông góc.

via Gfycat

Tia laser đập vào một tấm gương, phản chiếu lại tấm lọc; khi đó cả hai tia đã có cùng bước sóng, gặp mặt ở đúng góc độ để chúng triệt tiêu được nhau.

via Gfycat

Cảm biến ánh sáng sẽ không thể nhìn thấy tia laser được phản lại, nhưng nếu xuất hiện tác động của sóng hấp dẫn, không thời gian sẽ thay đổi, khiến cho tia sáng của một bên ống sẽ ngắn hơn bên còn lại. Hiệu ứng này sẽ tiếp tục cho tới khi sóng hấp dẫn hoàn toàn biến mất.

via Gfycat

Nói đơn giản, thì nếu sóng hấp dẫn xuất hiện, hai tia laser sẽ không thể triệt tiêu được nhau, cảm biến ánh sáng sẽ nhận thấy sự lệch lạc từ cỗ máy siêu chính xác. Theo các nhà khoa học, độ dài tia laser một bên ống sẽ ngắn hơn khoảng 1/10.000 lần đường kính của một hạt hạ nguyên tử proton.

via Gfycat

Độ lệch quá nhỏ, đồng nghĩa với việc bất kỳ rung động nào trong phạm vi lân cận sẽ làm ảnh hưởng tới kết quả thí nghiệm: một cơn gió, một cái xe chạy qua sẽ khiến cỗ máy rung rinh ngay.

Đó là lý do tại sao phải đặt hai cỗ máy cách nhau 3.000 km. Nếu cả hai máy đều phát hiện ra độ lệch ở cùng một khoảng thời gian, khả năng cao đó chính là sóng hấp dẫn vừa đi qua Trái Đất.

via Gfycat

Đây là những cập nhật mới cho LIGO

Phải liên tục cải tiến LIGO để nó có thể phát hiện ra những sự kiện thiên văn vừa hiếm gặp lại vừa khó xác định như vậy. Trong lần cập nhật hồi năm 2016, các nhà khoa học mất 10 tháng để hoàn thiện phiên bản LIGO mới, tăng độ nhạy lên thêm 25%.

Lần cập nhật mới nhất tiêu tốn 6 tháng, kết thúc vào ngày 1 tháng Tư tới, và sẽ tăng độ nhạy của LIGO lên thêm 40% so với lần trước. LIGO thế hệ mới sẽ có thêm tính năng xác định vị trí hai ngôi sao neutron va chạm.

Cụ thể, sức mạnh các tia laser được tăng lên 2 lần; 5/8 số gương của máy được cập nhật, bên cạnh đó là phần cứng mới cho phép giảm ánh sáng đi lạc. Giờ LIGO còn có thể "ép" photon ánh sáng để giảm độ "nhiễu", dựa trên nguyên lý của vật lý lượng tử.

Vicky Kalogera, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Northwestern và công tác tại LIGO, nói rằng hệ thống mới có thể phát hiện thêm 100 vụ thiên thể va chạm mỗi năm. Trong tương lai, LIGO sẽ kết hợp với trạm phát hiện VIRGO, một cơ sở mới có tên KAGRA đang được xây dựng tại Nhật Bản, bên cạnh một số dự án khác nữa.

"Những dự án này mở ra cơ hội cho chúng tôi phát hiện ra những sự kiện mới trên Vũ trụ", Imre Bartos, nhà vật lý học tại Đại học Columbia và cũng làm việc với LIGO cho hay. "Chúng tôi có thể nhìn thấy được sóng hấp dẫn. Nhưng điều hay ho nằm tại việc khám phá ra được công dụng của chúng".

Tham khảo Business Insider