Kiến thức Phổ thông

Sóng hấp dẫn là gì? Nguồn gốc, hành trình khám phá và tương lai của ngành khoa học mới này

Sóng hấp dẫn được tạo ra như những gợn sóng trong kết cấu không-thời gian bởi các quá trình năng lượng như lỗ đen va chạm ngoài không gian. Chúng được cho là đã xảy ra từ lâu, nhưng các nhà vật lý không có thiết bị đủ nhạy cảm để phát hiện ra chúng. Tất cả đã thay đổi vào năm 2016 khi các sóng hấp dẫn từ sự va chạm của hai lỗ đen siêu lớn được đo. Đó là một khám phá lớn được dự đoán bởi nghiên cứu được thực hiện vào đầu thế kỷ 20 bởi nhà vật lý Albert Einstein.

Nguồn gốc của sóng hấp dẫn

Năm 1916, Einstein đã nghiên cứu Thuyết tương đối rộng của mình. Một kết quả của công việc của ông là một tập hợp các giải pháp cho các công thức của ông cho thuyết tương đối rộng (gọi là phương trình trường của ông) cho phép sóng hấp dẫn. Vấn đề là, không ai từng phát hiện ra điều gì như vậy. Nếu chúng tồn tại, chúng sẽ yếu đến mức không thể tìm thấy, mà chỉ có một mình. Các nhà vật lý đã dành phần lớn Thế kỷ 20 nghĩ ra các ý tưởng về việc phát hiện sóng hấp dẫn và tìm kiếm các cơ chế trong vũ trụ sẽ tạo ra chúng.

Làm thế nào để tìm ra sóng hấp dẫn?

Một ý tưởng khả thi cho việc tạo ra sóng hấp dẫn đã được các nhà khoa học Russel Hulse và Joseph H. Taylor nghiên cứu. Vào năm 1974, họ đã phát hiện ra một loại pulsar (sao xung – một biến thể của sao neutron) mới, là tàn dư của một ngôi sao đã chết, nhưng tự quay quay trục với tốc độ rất nhanh. Pulsar thực sự là một ngôi sao neutron, một quả bóng neutron bị nghiền nát với kích thước của một thế giới nhỏ, quay nhanh và phát ra các xung bức xạ. Các sao neutron cực kỳ lớn và thể hiện loại vật thể có trường hấp dẫn mạnh cũng có thể liên quan đến việc tạo ra sóng hấp dẫn. Hai người đã giành giải thưởng Nobel vật lý năm 1993 cho công trình của họ, điều này đã thu hút phần lớn các dự đoán của Einstein bằng sóng hấp dẫn.

Ý tưởng đằng sau việc tìm kiếm các sóng như vậy khá đơn giản: nếu chúng tồn tại, thì các vật thể phát ra chúng sẽ mất năng lượng hấp dẫn. Sự mất năng lượng đó là có thể phát hiện gián tiếp được. Bằng cách nghiên cứu quỹ đạo của các sao neutron đôi, sự phân rã dần dần trong các quỹ đạo này sẽ đòi hỏi sự tồn tại của sóng hấp dẫn sẽ mang năng lượng đi.

Khám phá về sóng hấp dẫn

Sóng hấp dẫn là gì? Nguồn gốc, hành trình khám phá và tương lai của ngành khoa học mới này
Sóng hấp dẫn trong hệ sao đôi

Để tìm ra những sóng như vậy, các nhà vật lý cần phải chế tạo các máy dò rất nhạy. Ở Hoa Kỳ, họ đã chế tạo Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế tia laser (LIGO). Nó hợp nhất dữ liệu từ hai cơ sở, một ở Hanford, Washington và cơ sở kia ở Livingston, Louisiana. Mỗi người sử dụng một chùm tia laser được gắn vào các dụng cụ chính xác để đo “độ lắc” của sóng hấp dẫn khi nó đi ngang qua Trái đất. Các tia laser trong mỗi cơ sở di chuyển dọc theo các cánh tay khác nhau của buồng chân không dài bốn km. Nếu không có sóng hấp dẫn ảnh hưởng đến ánh sáng laser, các chùm ánh sáng sẽ cùng pha với nhau khi đến máy dò. Nếu sóng hấp dẫn có mặt và có ảnh hưởng đến các chùm tia laser, khiến chúng dao động thậm chí bằng 1 / 10.000 chiều rộng của một proton, thì sẽ xảy ra hiện tượng gọi là “các mẫu giao thoa”. Chúng chỉ ra cường độ và thời gian của sóng.

Sau nhiều năm thử nghiệm, vào ngày 11 tháng 2 năm 2016, các nhà vật lý làm việc với chương trình LIGO tuyên bố rằng họ đã phát hiện ra sóng hấp dẫn từ một hệ thống nhị phân của các lỗ đen va chạm với nhau vài tháng trước đó. Điều đáng kinh ngạc là LIGO đã có thể phát hiện với hành vi chính xác cực nhỏ xảy ra cách đó nhiều năm. Mức độ chính xác tương đương với việc đo khoảng cách đến ngôi sao gần nhất với biên độ sai số nhỏ hơn chiều rộng của một sợi tóc người! Kể từ thời điểm đó, nhiều sóng hấp dẫn đã được phát hiện, cũng từ nơi xảy ra vụ va chạm lỗ đen.

Tương lai của ngành khoa học sóng hấp dẫn

Lý do chính cho sự phấn khích đối với việc phát hiện sóng hấp dẫn, ngoài một xác nhận khác rằng thuyết tương đối của Einstein là chính xác, là nó cung cấp một cách khám phá vũ trụ bổ sung. Các nhà thiên văn học biết nhiều về lịch sử vũ trụ ngày nay bởi vì họ nghiên cứu các vật thể trong không gian với mọi công cụ có sẵn. Trong những khám phá của LIGO, công việc của họ đã bị giới hạn bởi các tia vũ trụ và ánh sáng từ các vật thể trong quang học, tử ngoại, nhìn thấy được, vô tuyến , lò vi sóng, tia X và tia gamma. Giống như sự phát triển của radio và các kính viễn vọng tiên tiến khác cho phép các nhà thiên văn học nhìn vào vũ trụ bên ngoài phạm vi thị giác của phổ điện từ, sự tiến bộ này có khả năng cho phép các loại kính viễn vọng hoàn toàn mới sẽ khám phá lịch sử của vũ trụ ở quy mô hoàn toàn mới .

Đài quan sát Advanced LIGO là một giao thoa kế laser trên mặt đất, vì vậy bước tiếp theo trong nghiên cứu sóng hấp dẫn là tạo ra đài quan sát sóng hấp dẫn dựa trên không gian. Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã khởi động và vận hành sứ mệnh LISA Pathfinder để kiểm tra khả năng phát hiện sóng hấp dẫn dựa trên không gian trong tương lai.

Sóng hấp dẫn nguyên thủy

Mặc dù sóng hấp dẫn được cho phép trên lý thuyết bởi chính thuyết tương đối rộng, một lý do chính khiến các nhà vật lý quan tâm đến chúng là vì Thuyết giãn nở, thậm chí không tồn tại trở lại khi Hulse và Taylor đang thực hiện nghiên cứu sao neutron giành giải Nobel.

Vào những năm 1980, bằng chứng cho lý thuyết Big Bang khá rộng rãi, nhưng vẫn còn những câu hỏi mà nó không thể giải thích đầy đủ. Đáp lại, một nhóm các nhà vật lý hạt và nhà vũ trụ học đã làm việc cùng nhau để phát triển Thuyết giãn nở. Họ cho rằng vũ trụ sơ khai, rất nhỏ gọn sẽ chứa nhiều biến động lượng tử (nghĩa là dao động hoặc “rung động” trên quy mô cực kỳ nhỏ). Một sự mở rộng nhanh chóng trong vũ trụ rất sớm, có thể được giải thích do áp lực bên ngoài của chính không thời gian, sẽ mở rộng đáng kể những dao động lượng tử đó.

Một trong những dự đoán chính từ Thuyết giãn nở và biến động lượng tử là các hành động trong vũ trụ sơ khai sẽ tạo ra sóng hấp dẫn. Nếu điều này xảy ra, thì nghiên cứu về những xáo trộn ban đầu đó sẽ tiết lộ thêm thông tin về lịch sử ban đầu của vũ trụ. Nghiên cứu và quan sát trong tương lai sẽ thăm dò khả năng đó.

Chủ đề xuất hiện trong bài viết
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker