Khoa học gia khám phá sóng trọng lực trong vũ trụ, như tiên đoán của Einstein 100 năm trước

HOA THỊNH ĐỐN - Trong một lời loan báo gây phấn khởi cho thế giới thiên văn học hôm thứ Năm, các khoa học gia cho biết rằng cuối cùng họ cũng tìm ra được những làn sóng trọng lực. Đây là những gợn sóng trong cơ cấu không-gian-thời-gian, mà nhà bác học Albert Einstein đã tiên đoán cách đây một thế kỷ.

Các nhà khoa học đã so sánh bước đột phá này với thời điểm khi Galileo cầm một viễn vọng kính để nhìn lên các hành tinh vào cuối thế kỷ thứ 16

Sóng trọng lực được tạo ra bởi những vụ vă chạm dữ dội trong vũ trụ. Việc khám phá ra loại sóng này gây phấn khởi cho các nhà thiên văn, vì nó mở ra cánh cửa cho một cách thức mới để quan sát vũ trụ. Đối với họ, việc phát hiện này giống như biến một phim câm thành một phim nói, vì những đợt sóng này là nhạc nền của vũ trụ.

Ông Szabolcs Marka, một chuyên gia khoa vật lý thiên văn tại đại học Columbia University, và là một thành viên của nhóm khám phá làn sóng trọng lực, nói tại buổi họp báo hôm thứ Năm, “Cho đến lúc này, chúng tôi đưa mắt nhìn lên bầu trời và chúng tôi không thể nghe được tiếng nhạc. Từ nay bầu trời sẽ không bao giờ giống như vậy nữa.”

Một nhóm nghiên cứu gia quốc tế quy tụ các khoa học gia hàng đầu trong ngành thiên văn học đã sử dụng một dụng cụ trị giá $1.1 tỷ Mỹ kim, mới được nâng cao khả năng và sự bén nhạy đến cực độ, được gọi là Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Đài Quan Sát Sóng Trọng Lực Bằng Giao Thoa Kế), viết tắt là LIGO. Họ dùng máy khổng lồ này để khám phá một làn sóng hấp dẫn từ vụ hai lỗ đen đụng nhau ở nơi xa xôi. Đây là một trong những cách thức tạo ra những làn sóng.

Một số nhà vật lý cho biết đây là một thành tựu vĩ đại như vụ khám phá ra hạt Higgs boson hạ nguyên tử trong năm 2012, đôi khi được gọi là “Hạt Thượng Đế.” Một số người nói rằng việc khám phá sóng trọng lực là còn lớn hơn thế nữa.

Vào năm 1916, Albert Einstein lần đầu tiên đưa ra giả thuyết về sóng trọng lực, như là một phần trong lý thuyết tương đối tổng quát của ông. Những làn sóng ấy đều hết sức mờ nhạt trong không-gian-thời-gian, tức là chiều thứ tư rất khó thăm dò, kết hợp thời gian với bốn phía không gian quen thuộc: trên, dưới, trái và phải. Khi những vật thể đồ sộ nhưng gọn gàng, như các lỗ đen hoặc các sao neutron, đụng nhau, thì lực hấp dẫn của chúng sẽ làm lan ra những gợn sóng trên khắp vũ trụ.

Trong thập niên 1970, các nhà khoa học tìm thấy bằng chứng gián tiếp về sự hiện hữu của sóng trọng lực. Các cuộc tính toán cho thấy rằng những làn sóng này làm thay đổi một chút quỹ đạo của hai ngôi sao đụng nhau. Công trình ấy đã được tôn vinh là một phần của giải thưởng Nobel về vật lý năm 1993. Nhưng lời loan báo hôm thứ Năm là một cuộc khám phá trực tiếp sóng hấp dẫn. Và điều đó được coi là một sự khác biệt lớn.

Biết được sóng âm thanh hiện hữu là một chuyện, nhưng thực sự nghe được âm thanh lại là chuyện khác. Trong trường hợp này, các nhà khoa học thực sự nghe được tiếng các lỗ đen sáp nhập vào nhau.
Chad Hanna, thành viên của đội nghiên cứu gia và từ trường đại học Pennsylvania State University, nói rằng sóng trọng lực là “nhạc nền của vũ trụ.” Việc khám phá ra sóng hấp dẫn là điều rất khó khăn, đến nỗi khi Einstein đưa ra giả thuyết lần đầu tiên về loại sóng này, ông hình dung ra rằng các khoa học gia sẽ không bao giờ có thể nghe được những làn sóng ấy. Sau đó Einstein cũng nghi ngờ chính ông, và thậm chí trong năm 1930 ông thắc mắc không biết những làn sóng ấy có thực sự hiện hữu hay không. Thế nhưng đến thập niên 1960, các nhà khoa học đã kết luận rằng có lẽ chúng hiện hữu.

Trong năm 1979, tổ chức National Science Foundation quyết định đưa tiền cho Cal Tech và Massachusetts Institute of Technology, để tìm kiếm một cách thức phát hiện những làn sóng ấy.

Hai mươi năm sau đó, họ bắt đầu chế tạo hai máy dò LIGO tại Hanford, Washington, và Livingston, Lousiana. Hai thiết bị này bắt đầu hoạt động vào năm 2001. Tuy nhiên, sau nhiều năm không gặp may mắn, các nhà khoa học mới nhận ra rằng họ phải xây dựng một hệ thống khám phá tối tân hơn. Hệ thống này bắt đầu hoạt động trong tháng 9 năm ngoái.

Ở một số tần số, LIGO mới có độ nhạy cảm cao gấp ba lần so với LIGO cũ, và có thể phát hiện những gợn sóng ở những tần số thấp hơn mà LIGO cũ không dò ra được. Và thêm nhiều mục nâng cao phẩm chất được dự định thực hiện.

Độ nhạy cảm là rất quan trọng, vì việc căng và nén của không-gian-thời-gian bởi những đợt sóng hấp dẫn là vô cùng nhỏ. Xét về căn bản, LIGO phát hiện những làn sóng trải căng và bóp nén toàn thể Ngân Hà “bằng chiều rộng của ngón tay cái của bạn,” Hanna nói như vậy.

Mỗi LIGO có hai cánh tay vuông góc khổng lồ dài hơn hai dặm. Một chùm tia laser được tách ra và di chuyển trên cả hai cánh tay, dội ra khỏi những tấm gương để quay trở lại chỗ giao thoa của hai cánh tay. Các làn sóng hấp dẫn kéo dài hai cánh tay ấy, để tạo ra một sự không phù hợp vô cùng nhỏ, nhỏ hơn một hạt hạ nguyên tử, và LIGO phát hiện ra điều ấy.

Các nhà khoa học chắc chắn rằng họ sẽ tìm thấy thêm nhiều tín hiệu hơn nữa. Đây mới chỉ là một bước khởi đầu.