Năm nay giải Nobel Vật Lý được trao cho ba nhà vật lý đã có công xây dựng và vận hành trạm LIGO, là nơi đã dò tìm được sóng hấp dẫn. Dưới đây là trích đoạn nói về LIGO từ cuốn sách Các thế giới song song của tác giả Michio Kaku.
Chính Einstein, vào năm 1916, là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của các sóng hấp dẫn. Hãy xem xét điều gì sẽ xảy ra nếu Mặt Trời biến mất. Bạn còn nhớ ví dụ một quả bóng bowling lún vào tấm đệm chứ? Hay tốt hơn là một giàn nhún nhỉ? Nếu quả bóng đột nhiên bị lấy đi, giàn nhún sẽ ngay lập tức bật ngược trở lại vị trí ban đầu, tạo ra các sóng xung kích khẽ lan truyền ra phía ngoài dọc theo giàn nhún. Nếu quả bóng bowling được thay thế bằng Mặt Trời, thì chúng ta thấy rằng các sóng xung kích của hấp dẫn di chuyển theo một tốc độ cụ thể, là tốc độ ánh sáng.
Mặc dù sau đó Einstein đã tìm thấy một lời giải chính xác cho các phương trình của mình với sự có mặt của các sóng hấp dẫn, nhưng ông đã mất hết hy vọng trong đời được thấy dự đoán của mình được xác nhận. Các sóng hấp dẫn rất yếu. Ngay cả các sóng xung kích của các ngôi sao đang va chạm cũng không đủ mạnh để có thể đo đạc bằng các thực nghiệm hiện tại.
Hiện nay, các sóng hấp dẫn chỉ được phát hiện một cách gián tiếp. Hai nhà vật lý Russell Hulse và Joseph Taylor Jr. đã phỏng đoán rằng nếu phân tích các sao nơtron đôi đang xoay tròn và rượt đuổi nhau trong không gian, thì mỗi ngôi sao sẽ phát ra một luồng sóng hấp dẫn khi quỹ đạo của chúng từ từ suy sụp, tương tự như các vệt lằn được tạo ra khi ta khuấy mật đường. Họ đã phân tích đường xoắn ốc chết chóc của hai ngôi sao nơtron khi chúng từ từ quay xoắn lại với nhau. Đối tượng khảo sát của họ là sao nơtron đôi PSR 1913+16, nằm cách Trái Đất khoảng 16.000 năm ánh sáng, quay quanh nhau với chu kỳ 7 giờ 45 phút, và phát xạ các sóng hấp dẫn vào khoảng không vũ trụ.
Sử dụng thuyết của Einstein, họ thấy rằng hai ngôi sao sẽ nhích lại gần nhau một milimét sau mỗi vòng quay. Mặc dù đây là một khoảng cách vô cùng nhỏ, nhưng sau một năm nó tăng lên một yard (0,91 mét), khi quỹ đạo 435.000 dặm (700 km) từ từ thu nhỏ lại. Công trình tiên phong của họ đã chỉ ra rằng quỹ đạo hai ngôi sao suy sụp chính xác như thuyết của Einstein đã dự đoán trên cơ sở của sóng hấp dẫn. (Trên thực tế, các phương trình Einstein dự đoán rằng các ngôi sao cuối cùng sẽ lao vào nhau trong vòng 240 triệu năm, do mất đi năng lượng đã bức xạ vào không gian dưới dạng các sóng hấp dẫn.) Với công trình này, họ đã giành giải Nobel vật lý vào năm 1993.*
Chúng ta cũng có thể sử dụng lại thực nghiệm chính xác này để đo đạc độ chuẩn xác của bản thân thuyết tương đối rộng. Khi các tính toán ngược được thực hiện, chúng ta thấy rằng thuyết tương đối rộng ít nhất chuẩn xác tới 99,7%.
THIẾT BỊ DÒ SÓNG HẤP DẪN LIGO
Nhưng để rút ra thông tin hữu dụng về vũ trụ ban đầu, người ta phải quan sát các sóng hấp dẫn trực tiếp, chứ không phải gián tiếp. Năm 2003, thiết bị dò sóng hấp dẫn đầu tiên LIGO (viết tắt của Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, tức là Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser) cuối cùng đã đi vào hoạt động, hiện thực hóa giấc mơ mấy thập niên là dò tìm các bí ẩn của vũ trụ thông qua sóng hấp dẫn. Mục tiêu của LIGO là phát hiện các sự kiện vũ trụ quá xa hoặc quá nhỏ không thể quan sát bằng các kính thiên văn trên Trái Đất, chẳng hạn như là các lỗ đen hoặc các sao nơtron đang va chạm.
LIGO bao gồm hai cơ sở trang bị thiết bị laser khổng lồ, một ở Hanford, bang Washington, và một ở giáo khu Livingston, bang Louisiana (Hoa Kỳ). Mỗi máy dò có hai ống, mỗi ống dài 2,5 dặm (khoảng 4 km), ghép thành một ống chữ L khổng lồ. Trong mỗi ống một chùm tia laser được bắn ra. Tại điểm nối của chữ L, hai chùm laser va chạm nhau, và sóng của chúng giao thoa với nhau. Thông thường, nếu không có các nhiễu loạn, thì hai sóng được đồng bộ hóa khiến cho chúng triệt tiêu lẫn nhau. Nhưng khi sóng hấp dẫn nhỏ nhất phát ra từ các lỗ đen hoặc các sao nơtron đang va chạm đập vào thiết bị này, nó làm cho một ống co giãn khác với ống kia. Nhiễu loạn này đủ để phá vỡ trạng thái cân bằng mong manh của hai chùm tia laser. Kết quả là hai chùm tia, thay vì triệt tiêu lẫn nhau, lại tạo ra một mẫu giao thoa đặc trưng tương tự như sóng có thể được máy tính phân tích chi tiết. Sóng hấp dẫn càng lớn thì sự không tương hợp giữa hai chùm tia laser lại càng lớn hơn, và mẫu giao thoa lại càng lớn hơn.
LIGO là một kỳ tích kỹ thuật. Vì các phân tử không khí có thể hấp thụ ánh sáng laser, nên ống chứa ánh sáng phải được tạo chân không tới một phần nghìn tỉ áp suất không khí. Mỗi thiết bị dò chiếm 300.000 foot khối (8500 mét khối), có nghĩa là LIGO có chân không nhân tạo lớn nhất thế giới. Điều làm cho LIGO có độ nhạy như vậy, một phần là thiết kế của các gương, được kiểm soát bằng 6 nam châm nhỏ, mỗi cái có kích thước cỡ con kiến. Các tấm gương được mài nhẵn tới độ chuẩn xác một phần 30 tỉ inch (13,1 phần nghìn tỉ cm). “Hãy tưởng tượng rằng trái đất cũng phẳng nhẵn như vậy. Khi đó, ngọn núi trung bình sẽ không cao quá một inch (2,54 cm)”,* người giám sát các gương GariLynn Billingsley nói. Chúng tinh vi tới mức có sai số không quá một phần triệu mét (10-4 cm), làm cho các gương của LIGO có lẽ là nhạy nhất trên thế giới. “Hầu hết các kỹ sư đều kinh ngạc khi họ nghe nói tới những gì chúng tôi đang cố gắng làm”,* nhà khoa học thuộc dự án LIGO Michael Zucker nói.
Vì LIGO được cân bằng rất tinh tế, nên đôi khi nó gặp phiền toái bởi các rung động rất nhỏ không mong muốn. Chẳng hạn, thiết bị dò tại Louisiana không thể hoạt động vào ban ngày vì những người đốn gỗ đang cưa hạ cây cách đó gần 500 mét. (LIGO nhạy tới mức cho dù việc đốn hạ cây diễn ra cách đó khoảng 1 dặm (1,6 km), nó vẫn không thể hoạt động vào ban ngày.) Thậm chí cả vào ban đêm, các rung động do xe lửa chạy ngang qua vào lúc nửa đêm và 6 giờ sáng cũng giới hạn thời gian LIGO có thể hoạt động.
Ngay cả những rung động mờ nhạt đến từ các con sóng biển xô vào bờ cách xa vài dặm cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả đo đạc. Sóng biển trên các bãi biển Bắc Mỹ trung bình vỗ vào bờ sau mỗi sáu giây, tạo ra một tiếng rì rào rất khẽ nhưng thực tế các thiết bị laser vẫn có thể thu được. Tiếng ồn có tần số thấp tới mức có thể xuyên thẳng qua trái đất. “Nó giống như tiếng sấm rền vậy”, Zucker bình luận về tiếng ồn thủy triều này. “Mùa bão ở bang Louisiana thì thật đau đầu khủng khiếp”.* Thủy triều do lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời tác động lên Trái Đất tạo ra cũng ảnh hưởng tới LIGO, gây ra một nhiễu loạn cỡ một vài phần triệu inch (một phần triệu cm).
Nhằm loại bỏ các nhiễu loạn cực kỳ nhỏ này, các kỹ sư của LIGO đã phải tốn bao công sức để cách ly phần lớn thiết bị này. Mỗi hệ thống laser đặt trên đỉnh của bốn bục bằng thép không gỉ đồ sộ xếp chồng lên nhau, mỗi cấp lại được phân cách bằng các lò xo để dập tắt bất kỳ rung động nào. Mỗi thiết bị quang học nhạy này đều có hệ thống cách ly địa chấn riêng; sàn nhà là một tấm bê tông dày 30 inch (76 cm) không nối vào các bờ tường.*
LIGO trên thực tế là một phần của một công-xoóc-xi-om (consortium) quốc tế, bao gồm thiết bị dò VIRGO của liên doanh Ý-Pháp ở Pisa, Ý; một thiết bị dò TAMA của Nhật Bản ở ngoại ô Tokyo và một thiết bị dò GEO600 của liên doanh Anh-Đức ở Hanover, Đức. Cả thảy, tổng chi phí xây dựng LIGO sẽ là 292 triệu đô la Mỹ (cộng thêm 80 triệu chi phí vận hành và nâng cấp), khiến nó trở thành dự án tốn kém nhất từ trước tới nay được Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ (National Science Foundation) tài trợ.*
Nhưng ngay cả với độ nhạy này, nhiều nhà khoa học thừa nhận rằng LIGO có thể vẫn không đủ nhạy để phát hiện các sự kiện thực sự kỳ thú trong quãng đời của nó. Phiên bản nâng cấp tiếp theo của thiết bị này, LIGO II, theo kế hoạch sẽ diễn ra vào năm 2007 nếu được cấp kinh phí. Nếu LIGO không phát hiện được các sóng hấp dẫn, thì chắc là LIGO II sẽ làm được[1]. Kenneth Libbrecht tuyên bố rằng LIGO II sẽ cải thiện độ nhạy của thiết bị gấp một nghìn lần: “Từ chỗ phát hiện ra một sự kiện sau mỗi 10 năm một cách vất vả, LIGO II sẽ dễ dàng phát hiện ra một sự kiện sau mỗi ba ngày”.*
Để LIGO phát hiện ra sự va chạm của hai lỗ đen (trong khoảng cách 300 triệu năm ánh sáng), một nhà khoa học có thể phải chờ đợi quãng từ một năm tới một nghìn năm. Nhiều nhà thiên văn có thể sẽ cân nhắc việc theo đuổi khám phá một sự kiện như vậy với LIGO nếu cháu chắt chút chít của họ mới là những người chứng kiến sự kiện này. Nhưng như nhà khoa học Peter Saulson đã nói: “Con người thích thú giải quyết các thách thức kỹ thuật này giống như cách công nhân miệt mài xây dựng nhà thờ thời Trung cổ dù biết rằng họ có thể không nhìn thấy nhà thờ được hoàn thành. Nhưng nếu không có cơ hội nghìn vàng để thấy sóng hấp dẫn trong sự nghiệp của mình, tôi đã không đi vào lĩnh vực này. Đó không phải chỉ là cơn sốt giải Nobel… Mức độ chính xác chúng tôi đang phấn đấu chính là thước đo công việc của chúng tôi; nếu bạn làm điều này, bạn mới có ‘tay nghề”. LIGO II sẽ mở ra cho chúng ta nhiều cơ hội tìm thấy một sự kiện thật sự thú vị trong cuộc đời.* LIGO II có thể phát hiện các lỗ đen đang va chạm trong khoảng cách lớn hơn rất nhiều (6 tỉ năm ánh sáng) với tốc độ mười va chạm mỗi ngày tới mười va chạm mỗi năm.
Tuy nhiên, ngay cả LIGO II sẽ không đủ mạnh để phát hiện các sóng hấp dẫn phát ra từ thời khắc sáng thế. Vì điều đó, chúng ta phải chờ thêm mười lăm tới hai mươi năm nữa để có LISA.
[1] Trên thực tế LIGO đã tiến hành quan sát cho đến cuối năm 2010, rồi được tháo dỡ chờ thay thế bằng một “LIGO tiên tiến”.
Advertisements Share this:
