Phát hiện sóng hấp dẫn 100 năm sau tiên đoán của Einstein

Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã quan sát được những gợn sóng trong cấu trúc không thời gian, được gọi là sóng hấp dẫn, khi đến Trái đất từ một biến cố lớn trong vũ trụ xa xôi. Điều này khẳng định một dự đoán quan trọng trong lý thuyết tương đối rộng vào năm 1915 của Albert Einstein và mở ra một cửa sổ mới chưa từng có để nghiên cứu thiên văn vũ trụ.

Ảnh nhìn từ trên không hệ thống LIGO.

Sóng hấp dẫn mang thông tin về nguồn gốc của chúng và về bản chất của lực hấp dẫn mà không thể có được từ những nơi khác. Các nhà vật lý đã kết luận rằng sóng hấp dẫn được tạo ra ở phần cuối cùng của một giây khi hai lỗ đen sáp nhập với nhau để tạo thành một lỗ đen duy nhất và quay nhanh hơn rất nhiều. Sự va chạm này của hai lỗ đen đã được dự đoán nhưng chưa bao giờ được quan sát.

Sóng hấp dẫn được phát hiện vào ngày 14/09/2015 vào hồi 05:51 EDT (09:51 UTC) bởi cả hai hai máy dò của Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO), nằm ở Livingston, Louisiana và Hanford, Washington. Phát hiện mới này, được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, do tổ chức Hợp tác khoa học LIGO và tổ chức hợp tác Virgo thực hiện sử dụng dữ liệu từ hai máy dò của LIGO.

Dựa trên các tín hiệu quan sát, các nhà khoa học LIGO ước tính rằng hai lỗ đen trong sự kiện này có khối lượng nặng gấp khoảng 29 đến 36 lần khối lượng của Mặt trời và sự kiện này diễn ra 1,3 tỷ năm trước, trong đó khoảng ba lần khối lượng của Mặt trời được chuyển đổi thành sóng hấp dẫn trong tích tắc với sản lượng điện ở mức cao nhất cao hơn khoảng 50 lần so với sản lượng điện cao nhất của toàn bộ vũ trụ khả kiến. Bằng cách xem xét thời gian đến của các tín hiệu này - máy dò ở Livingston ghi lại sự kiện này 7 mili giây trước máy dò tại Hanford - các nhà khoa học có thể nói rằng nguồn này nằm ở Nam bán cầu.

Theo thuyết tương đối rộng, một cặp lỗ đen quay quanh nhau bị mất năng lượng dưới dạng phát xạ sóng hấp dẫn, khiến chúng dần dần tiến lại gần nhau qua hàng tỉ năm và sau đó nhanh hơn nhiều trong những phút cuối. Trong phần cuối cùng của một giây, hai lỗ đen va chạm với tốc độ gần bằng một nửa tốc độ của ánh sáng và tạo thành một lỗ đen duy nhất và lớn hơn, chuyển đổi một phần khối lượng của lỗ đen mới được tạo ra thành năng lượng, theo công thức của Einstein E = mc². Năng lượng này được phát ra dưới dạng một vụ nổ lớn cuối cùng của các sóng hấp dẫn. Đây là những sóng hấp dẫn mà LIGO quan sát được.

Sự tồn tại của sóng hấp dẫn lần đầu tiên được Joseph Taylor, Jr. và các đồng nghiệp chứng minh vào những năm 1970 và 1980. Năm 1974, Taylor và Russell Hulse phát hiện ra một hệ thống nhị phân gồm một ẩn tinh có quỹ đạo quay quanh một ngôi sao neutron. Năm 1982, Taylor và Joel M. Weisberg phát hiện ra rằng quỹ đạo của ẩn tinh này đang dần thu hẹp theo thời gian do giải phóng năng lượng dưới dạng sóng hấp dẫn. Với việc khám phá ẩn tinh này và chỉ ra rằng có thể đo sóng hấp dẫn đặc biệt này, Hulse và Taylor đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1993.

Khám phá mới này của LIGO là quan sát trực tiếp lần đầu tiên sóng hấp dẫn, được thực hiện bằng cách đo sự nhiễu loạn cực nhỏ mà những sóng này tạo ra cho không thời gian khi chúng đi qua Trái đất.

“Việc quan sát sóng hấp dẫn của chúng tôi hoàn thành một mục tiêu đầy tham vọng được đặt ra hơn năm thập kỷ trước đó là phát hiện trực tiếp hiện tượng khó nắm bắt này và hiểu rõ hơn về vũ trụ và chứng minh một cách thỏa đáng dự đoán của Einstein nhân dịp kỷ niệm 100 năm thuyết tương đối rộng của ông”, David H. Reitze, giám đốc điều hành Phòng thí nghiệm LIGO, cho biết.

Nghiên cứu của LIGO được thực hiện bởi tổ chức Hợp tác khoa học LIGO (LSC), gồm hơn 1.000 nhà khoa học đến từ các trường đại học trên toàn Hoa Kỳ và 14 quốc gia khác. Hơn 90 trường đại học và viện nghiên cứu trong LSC phát triển công nghệ máy dò và phân tích dữ liệu; khoảng 250 sinh viên là các thành viên tích cực của công trình nghiên cứu này. Mạng máy dò LSC bao gồm các giao thoa kế LIGO và máy dò GEO600. Nhóm nghiên cứu GEO bao gồm các nhà khoa học đến từ Viện Vật lý hấp dẫn Max Planck (Viện Albert Einstein, AEI), Đại học Leibniz Hannover, cùng với các đối tác tại Đại học Glasgow, Đại học Cardiff, Đại học Birmingham, các trường đại học khác ở Anh và Đại học Balearic Islands ở Tây Ban Nha.

“Với phát hiện này, chúng ta đang bắt tay vào một nhiệm vụ mới tuyệt vời đó là công cuộc tìm kiếm để khám phá mặt cong của vũ trụ - các sự vật và hiện tượng được làm từ không thời gian cong. Sự va chạm của các lỗ đen và các sóng hấp dẫn là những ví dụ tuyệt vời đầu tiên của chúng ta”, Thorne nói.

Nghiên cứu của Virgo được thực hiện bởi tổ chức Hợp tác Virgo, gồm hơn 250 nhà vật lý và kỹ sư thuộc 19 nhóm nghiên cứu của châu Âu: sáu từ Trung tâm Nghiên cứu khoa học quốc gia (CNRS) tại Pháp; tám từ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) tại Italia; hai ở Hà Lan; Wigner RCP ở Hungary; Tập đoàn POLGRAW ở Ba Lan; Đài quan sát sóng hấp dẫn châu Âu (EGO) và phòng thí nghiệm có máy dò Virgo gần Pisa ở Italia.

Fulvio Ricci, người phát ngôn của Virgo, lưu ý rằng: “Đây là một cột mốc quan trọng đối với ngành vật lý, nhưng quan trọng hơn chỉ đơn thuần là LIGO và Virgo sẽ bắt đầu có nhiều khám phá thiên văn mới và thú vị”.

“Hy vọng quan sát đầu tiên này sẽ đẩy nhanh việc xây dựng một mạng lưới máy dò toàn cầu cho phép xác định chính xác vị trí nguồn trong thời đại thiên văn học đa thông điệp”, David McClelland, giáo sư vật lý và là Giám đốc Trung tâm Vật lý hấp dẫn tại Đại học Quốc gia Australia cho biết.

Theo Vista.gov.vn