Xác định được sóng hấp dẫn chính xác nhất từ trước đến nay

Các nhà khoa học vừa xác định được một nguồn phát sóng hấp dẫn với độ chính xác cao nhất từ trước đến nay do được khảo sát bởi ba máy dò cùng một lúc trên cả vùng trời rộng lớn.

Năm 2016, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã cùng nhau tạo nên lịch sử khi lần đầu tiên xác nhận sự tồn tại của sóng hấp dẫn – những gợn sóng không-thời gian phát ra từ vụ va chạm của hai hố đen. Việc phát hiện ra sóng hấp dẫn là bằng chứng chắc chắn cho dự đoán cuối cùng chưa được xác nhận của Einstein trong thuyết tương đối tổng quát của ông.

Khi sóng hấp dẫn được xác nhận là có tồn tại, các nhà khoa học tiếp tục cải thiện hệ thống khảo sát và thăm dò của mình để có được các phép đo chính xác hơn về sóng hấp dẫn, cũng như xác định chính xác nguồn phát ra của sóng.

Hình ảnh mô phỏng hai hố đen sắp va chạm và sáp nhập nhau. Hình ảnh: LIGO/ Caltech/ MIT/ Sonoma State (Aurore Simonnet).

Giống như những chiếc kính viễn vọng vô tuyến có thể phát hiện các vật thể trong vũ trụ qua bước sóng hoàn toàn khác mà những kính thiên văn với ánh sáng khả kiến không thể quan sát được, thì sóng hấp dẫn chính là cách để chúng ta tìm ra được những thứ mà trước nay chúng ta vẫn không biết là nó có tồn tại.

Mới đây, các nhà khoa học sử dụng cùng lúc ba máy dò sóng hấp dẫn – hai máy của LIGO ở Livingston, bang Louisiana và Hanford, bang Washington cùng máy dò Virgo ở Pisa, Ý – để xác định nguồn phát sóng hấp dẫn một cách chính xác nhất từng trước đến nay.

Sóng hấp dẫn phát ra vào giai đoạn cuối cùng khi hai hố đen sáp nhập nhau, cặp hố đen này có khối lượng gấp 31 lần và 25 lần so với khối lượng của Mặt Trời, nằm cách Trái Đất 1,8 tỷ năm ánh sáng. Cả hai nhập vào nhau và tạo ra một hố đen mới với khối lượng gấp 53 lần Mặt Trời.

3 phần khối lượng bị thất thoát đã bị được giải phóng ra ngoài và chuyển hóa thành các dạng năng lượng thuần túy, cũng như lan ra ngoài dưới dạng các gợn sóng không-thời gian. Chúng là những dao động vô cùng nhỏ và những máy dò phải rất nhạy mới xác định được.

Biểu đồ cho thấy kích thước của các hố đen sau khi được sáp nhập từ các cặp hố đen, được LIGO xác định từ trước đến nay. Bên phải cùng là cặp hố đen mới nhất được xác định bởi LIGO và Virgo. Hình ảnh: LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet).

“Làn sóng phát ra vào ngày 14 tháng 8 vừa qua đầu tiên được máy dò LIGO Livingston phát hiện, rồi đến LIGO Hanford sau đó vài phần ngàn giây rồi cuối cùng là máy dò Virgo. Cả ba máy dò đặt ở ba vị trí cách xa nhau và nhận được tín hiệu ở ba điểm thời gian khác nhau,” phát ngôn viên David Shoemaker của LIGO cho biết.

Việc so sánh thời gian xác định sóng hấp dẫn ở ba vị trí khác nhau cho phép các nhà thiên văn cải thiện được rất nhiều về cách xác định vị trí của nguồn phát tín hiệu trên bầu trời.

Những vùng khảo sát trước đó được thực hiện bởi LIGO, và vùng khảo sát mới nhất bởi LIGO và Virgo (bên dưới cùng), cho thấy sự thu hẹp vùng thăm dò khi sử dụng ba máy dò cùng lúc và dẫn đến tăng hiệu suất hoạt động. Hình ảnh: LIGO/Virgo.

Vùng trời nơi GW170814 xuất hiện có kích thước 60 độ vuông, nhỏ hơn 10 lần so với những dự đoán ban đầu. Tín hiệu được phát ra ngay bên trên khu vực các đám mây Magellan, hướng về chòm sao Eridanus. Đây là khu vực duy nhất mà cả ba máy dò đều có thể hướng đến được.

Từ năm 2016 đến nay, LIGO đã thực hiện thêm hai lần xác định sóng hấp dẫn nữa từ các vụ va chạm của những cặp hố đen. Và lần xác định này chính là lần thứ tư được công bố.

Máy dò sóng hấp dẫn Virgo tham gia với LIGO để tiến hành quan sát từ ngày 1 tháng 8 – đây cũng là lần quan sát đầu tiên của nó – và cả ba đã xác định được sóng hấp dẫn vào ngày 14 tháng 8 vừa qua. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học có thể đo được sự phân cực của sóng hấp dẫn, hay nói dễ hiểu là cách chúng biến dạng không-thời gian theo không gian ba chiều.

Máy dò Virgo được đặt ở Pisa, nước Ý đã bắt đầu quan sát đầu tiên của mình vào đầu tháng 8 vừa qua. Hình ảnh: The Virgo collaboration/CCO 1.0.

“Khi chúng ta tăng số lượng các đài quan sát trong hệ thống thăm dò sóng hấp dẫn trên toàn thế giới, thì không chỉ chúng ta có thể cải thiện được sự chính xác trong việc xác định vị trí nguồn phát, mà còn có được thông tin về sự phân cực của sóng hấp dẫn, qua đó ta nắm được quỹ đạo di chuyển của các vật thể đang nhắm đến để đủ sức chứng minh những dự đoán của Einstein,” chuyên gia Fred Raab từ LIGO cho biết.

Việc mở rộng và cải tiến vùng tìm kiếm của ba máy dò sóng hấp dẫn, cho phép từng máy dò có thể nhanh chóng hướng về khu vực mà một trong ba máy nhận định là có khả năng xuất hiện tín hiệu tiềm ẩn, việc này cho phép chúng hoạt động hiệu quả hơn so với những máy dò sóng điện từ thông thường vốn chỉ làm việc đơn lẻ.

Ngoài quan sát trực tiếp, hệ thống ba máy dò cũng gửi thông báo đến 25 cơ sở quan sát khác được đặt khắp nơi trên Trái Đất (chủ yếu là đài quan sát qua ánh sáng quang học) để những đài quan sát này hướng về vùng trời có tín hiệu phát ra, nhưng hầu hết chúng đều không ghi được hình ảnh về sự sáp nhập hố đen.

Hệ thống ba máy dò tiến hành kiểm tra sự phân cực của sóng hấp dẫn GW170814 có khớp với dự đoán của Einstein trong Thuyết tương đối tổng quát hay không, và kết quả là điều này đúng. Hình ảnh: LIGO.

Dữ liệu thu được về làn sóng hấp dẫn này được thu về bởi ba máy dò của LIGO và Virgo. Hình ảnh: LIGO/Virgo.

Mặc dù đây là một thành tựu lớn cho những bên tham gia, nhưng việc phát hiện sóng hấp dẫn phát ra từ sự va chạm của hai sao neutron vẫn còn khá khó phát hiện so với sự sáp nhập của hai hố đen.

Sao neutron là trạng thái sau khi một ngôi sao siêu khổng lồ kết thúc cuộc đời của mình. Ngôi sao lúc này tự sụp đổ vào bên trong, nén ép proton, electron và notron vào bên trong khiến cả ngôi sao lớn bị thu lại với đường kính từ 10 đến 20 km.

Lõi của một ngôi sao siêu khổng lồ sau khi chết, nếu có khối lượng nhỏ hơn khoảng ba lần so với ngôi sao lúc còn sống, áp suất sẽ khiến nó trở thành một sao neutron; bằng không nếu lõi lớn hơn thì nó sẽ trở thành một hố đen với lực hấp dẫn cực lớn liên tục hút thẳng vào trong lõi.

Bởi vì các hố đen hút hết mọi thứ kể cả ánh sáng, nên chúng ta không thể quan sát nó một cách trực tiếp được, mà phải quan sát gián tiếp qua những hiện tượng diễn ra xung quanh nó. Còn các sao neutron thì do mức năng lượng cao nên phát ra lượng lớn ánh sáng, nghĩa là nếu ta quan sát được hai sao neutron va chạm nhau, ta sẽ có bằng chứng về sóng hấp dẫn qua ánh sáng quang học.

Bản đồ vùng tín hiệu GW170814 được xác định bởi LIGO-Virgo. Hình ảnh: LIGO-Virgo Collaboration.

Trong tương lai, hệ thống Anten Không gian về Giao thoa kế và Laser hay gọi tắt là LISA, sẽ bắt đầu hoạt động từ nă 2034 và giúp chúng ta có những quan sát chính xác hơn 5 lần so với những quan sát của LIGO, nó tự dò tìm và xác định đúng vị trí để phân tích nguồn phát sóng.

Trước mắt, LIGO và Virgo sẽ hợp tác cùng nhau để quan sát. Theo dự kiến, lần quan sát tiếp theo sẽ diễn ra vào quý ba của năm 2018.

Quang Niên

theo LIGO, Space.com