Sự ra đời của thiên văn học sóng hấp dẫn

TIN KHOA HỌC

Sự ra đời của thiên văn học sóng hấp dẫn

L. BELOPUKHOV

Năm 2017, Giải Nobel Vật lý “vì những đóng góp quyết định cho sự phát triển của máy dò LIGO (Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser) và quan sát sóng hấp dẫn” đã được trao cho các nhà khoa học Mỹ Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne. Một tỷ ba trăm triệu năm trước, ở một khoảng cách rất xa so với Trái đất, hai lỗ đen rắn, đang quay quanh Vũ trụ, đã đạt đến một khoảng cách đến mức lực tương tác hấp dẫn của chúng bắt đầu tích cực hút chúng lại với nhau. Một trong số chúng có khối lượng lớn gấp 36 lần khối lượng Mặt trời, cái còn lại - gấp 29 lần. Khi đến gần, chúng quay quanh khối tâm của mình để chuyển động như thể theo hình xoắn ốc. Tốc độ của sự quay này cuối cùng đã trở nên rất lớn - cứ vài mili giây lại có một vòng quay. Và cuối cùng, các lỗ đen hợp nhất lại, phát ra một âm thanh ngắn ngủi nhưng khủng khiếp.

Rainer Weiss, Kip Thorne và Barry Barish

năng lượng bùng nổ. Về mặt năng lượng, nó tương đương với việc phát nổ cùng lúc quả bom nguyên tử $10^{32}$ megaton. Phần lớn năng lượng này là sóng hấp dẫn. Với tốc độ ánh sáng, nó bắt đầu lan ra mọi hướng. Một phần nhỏ năng lượng này đã đi đến Trái đất. Nói một cách rất hình tượng, Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học Nga A.M. Sergeev, trong một cuộc phỏng vấn của mình, đã gọi sự gia tăng này là một “tiếng hét”. Hơn nữa, trên Trái đất, dải tần của đợt sóng này vô tình hóa ra lại nằm chính xác trong vùng tần số âm thanh. Hệ thống điện âm có thể tạo ra tín hiệu không chỉ hiển thị trên màn hình mà còn có thể nghe được. Quả thực - một tiếng kêu! Tin tức về sự kiện này đến Trái đất vào ngày 14 tháng 9 năm 2015 lúc 9 giờ 50 phút 45 giây UTC theo giờ quốc tế (khác với giờ Moscow ba giờ trước). Nó được ghi lại ở Hoa Kỳ bởi hai cơ sở cộng tác của LIGO nằm cách nhau 3000 km. Lời giải thích khoa học về sự ra đời của sóng hấp dẫn được đưa ra bởi thuyết tương đối rộng của GTR - Einstein. Về bản chất, đây là một lý thuyết về lực hấp dẫn có tính đến thuyết tương đối đặc biệt và từ chối bị ràng buộc bởi hình học Euclide đã quá quen thuộc với chúng ta. Bản chất ngắn gọn của GTR là bất kỳ khối lượng nào cũng làm biến dạng và “bẻ cong” hình học xung quanh nó, biến nó thành phi Euclide (Riemannian). Trong trường hợp này, không gian và thời gian nói chung không thể tách rời nhau và hình học phải được coi là hình học của thế giới bốn chiều,

15

TIN TỨC

các tính chất cụ thể của chúng được xác định bởi lực hấp dẫn của các khối lượng nằm trên thế giới này. Mặt toán học của lý thuyết này là các phương trình trường hấp dẫn. Đây là những lời của chính Einstein trong cuốn sách nổi tiếng tuyệt vời của ông (viết chung với L. Infeld) “Sự tiến hóa của vật lý” (1938): “Định luật hấp dẫn của Newton kết nối chuyển động của một vật thể ở đây và bây giờ với chuyển động của một vật thể khác cùng lúc ở một khoảng cách xa… Các định luật mới của chúng ta là các định luật cấu trúc mô tả sự thay đổi trong trường hấp dẫn. Chúng kết nối các sự kiện đang xảy ra bây giờ và ở đây với các sự kiện sẽ xảy ra hoặc đã xảy ra ở những thời điểm và địa điểm khác. Về mặt sơ đồ, chúng ta có thể nói rằng sự chuyển đổi từ định luật hấp dẫn của Newton đến thuyết tương đối rộng ở một mức độ nào đó tương tự như sự chuyển đổi từ các định luật tĩnh điện và tĩnh điện sang lý thuyết Maxwell.” Giá trị của lý thuyết hấp dẫn của Einstein đã được chứng minh nhiều lần. Ít nhất cũng đủ vì thực tế là tất cả các tính toán chính xác về quỹ đạo của tàu vũ trụ trong không gian gần Trái đất và gần Mặt trời đều không dựa trên định luật hấp dẫn đơn giản của Newton mà dựa trên các phương trình của thuyết tương đối tổng quát. Và các hệ thống định vị như GPS, Glonass, v.v., nếu không sử dụng các phương trình thuyết tương đối rộng, sẽ gây ra lỗi khi xác định tọa độ của một vật thể trên trái đất ở khoảng cách 10 km chứ không phải 5 mét như đã đạt được hiện nay. Thuyết tương đối rộng là hoàn toàn cần thiết khi chúng ta đang nói về khối lượng khổng lồ (các ngôi sao, thiên hà và toàn bộ Vũ trụ). Ngoài ra, Thuyết tương đối rộng còn dự đoán những hiện tượng không có trong lý thuyết Newton. Sóng hấp dẫn thuộc về những hiện tượng này. Cũng giống như từ các phương trình Maxwell cho trường điện từ, sự tồn tại của sóng điện từ đã trở thành một hệ quả tất yếu, và từ việc phân tích các phương trình hấp dẫn của Einstein, người ta suy ra rằng sóng hấp dẫn phải tồn tại. Bằng chứng gián tiếp về sự hiện diện của sóng hấp dẫn xuất hiện vào cuối thế kỷ XX. Ví dụ, khi hai neutron hợp nhất

TRÊN U KI

sao (pulsar), các nhà vật lý thiên văn đã ghi nhận sự giảm đáng kể tổng xung lượng góc của hệ này (Giải Nobel Vật lý 1993). “Sự mất mát” này chỉ có thể được giải thích bằng sự mất đi khối lượng-năng lượng trong quá trình hợp nhất các ngôi sao do sóng hấp dẫn mang đi. Một ví dụ khác là sự hiện diện của cái gọi là thấu kính hấp dẫn. Các nhà lý thuyết đã tính toán rằng sóng hấp dẫn, bằng cách thay đổi thước đo không-thời gian, có thể làm biến dạng bức xạ của bất kỳ vật thể vũ trụ nào, giống như một thấu kính làm biến dạng đường đi của tia sáng. Và những biến dạng như vậy đã được các nhà thiên văn học ghi lại. Nhưng không có bằng chứng thực nghiệm trực tiếp, “trên mặt đất” nào về sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Vấn đề là điểm yếu của tín hiệu sóng này tới Trái đất. Năng lượng của tín hiệu đến Trái đất vào ngày 14 tháng 9 năm 2015 nhỏ hơn ít nhất $10^{51}$ lần so với năng lượng của sóng này khi nó ra đời. Nếu chúng ta so sánh âm thanh của sóng xung kích, nó cũng giống như việc kích nổ một phần triệu gam chất nổ ở khoảng cách 10 mét. Đối với tai con người, nó sẽ không phải là một tiếng hét hay thậm chí là một âm thanh tanh tách yếu ớt - nó sẽ không phản ứng gì với âm thanh yếu như vậy. Tuy nhiên, nỗ lực của các nhà vật lý nhằm bắt tín hiệu của sóng hấp dẫn đã bắt đầu từ những năm 60 của thế kỷ trước. Người đầu tiên bày tỏ ý tưởng bắt sóng hấp dẫn và cố gắng thực hiện nó là nhà vật lý người Mỹ J. Weber vào năm 1969. Ý tưởng này rất đơn giản - với các cảm biến nhạy để đo sự biến dạng của các vật thể có khối lượng lớn sẽ xảy ra khi sóng hấp dẫn, làm biến dạng hệ mét không-thời gian, đi qua các vật thể này. Các thi thể là những hình trụ bằng nhôm nặng một tấn rưỡi với dây đai chứa hàng chục cảm biến biến dạng áp điện. Độ nhạy của cảm biến cao bất thường - lên tới $10^{-} 15$ m (kích thước của hạt nhân nguyên tử). Weber nói rằng ông đã ghi lại những con sóng. Nhưng điều này hóa ra lại là một sai lầm. Rất có thể, đây là những tín hiệu từ nhiều nguồn gây nhiễu - rung động từ các nguồn bên ngoài, chẳng hạn như từ quá trình vận chuyển.

16

KVANT 2018/№3

Theo kế hoạch của Weber, các thí nghiệm tương tự đã bắt đầu được thực hiện ở một số quốc gia, bao gồm cả Nga (V.B. Braginsky, Đại học quốc gia Moscow). Kết quả ở mọi nơi đều là âm, vì tính toán của các nhà vật lý thiên văn cho thấy độ biến dạng dưới tác dụng của sóng hấp dẫn phải nhỏ hơn đáng kể so với $10^{-} 15$ m. Và không có cảm biến nào có thể đo được những giá trị nhỏ như vậy. Vào những năm 60, một ý tưởng khác xuất hiện để đo những biến dạng nhỏ như vậy - sử dụng sự giao thoa. Ý tưởng này được đưa ra bởi các nhà vật lý Liên Xô từ Đại học quốc gia Moscow M.E. Herzenstein và V.I. Pustovoit vào năm 1962. Nhưng tại một cuộc hội thảo tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, ý tưởng này đã bị chỉ trích và bài báo tương ứng không được khuyến khích xuất bản. Vài năm sau, ý tưởng sử dụng phương pháp giao thoa kế lại nảy sinh, lần này là ở Hoa Kỳ. Rainer Weiss tại Viện Công nghệ Massachusetts vào năm 1967 bắt đầu phát triển một dự án giao thoa kế laser có thể khắc phục “nhiễu” từ tất cả các nguồn bên ngoài (nhiệt, địa chấn, các nguồn giao thoa hấp dẫn, sự không ổn định của tần số bức xạ laser, và thậm chí cả sự giao thoa có thể xảy ra từ các cơn bão địa từ và các vụ nổ bức xạ vũ trụ). Ông tính toán rằng giao thoa kế phải có kích thước khổng lồ - vài km. Chính sự phát triển tiếp theo của dự án Weiss đã dẫn đến việc thành lập LIGO, đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser, được dự định thực hiện khám phá này. Năm 1968, tại Viện Công nghệ California, nhà vật lý thiên văn lý thuyết Kip Thorne bắt đầu nghiên cứu các nguồn có thể có của sóng hấp dẫn. Ông đã xác định được ba nguồn - sự hợp nhất của hai lỗ đen, sự hợp nhất của các xung đôi (sao neutron) và giai đoạn cuối của vụ nổ siêu tân tinh với sự hình thành sao neutron ở trung tâm của nó. Ông đã ước tính năng lượng của sóng hấp dẫn và lập mô hình bản chất của tín hiệu truyền tới Trái đất. Đây phải là một phần của hình sin không chuẩn với biên độ và tần số tăng dần và tín hiệu bị chấm dứt đột ngột. Chiều dài

Cường độ, biên độ và tần số của tín hiệu phụ thuộc vào loại và năng lượng của nguồn sóng. Nó đã trở nên rõ ràng những tín hiệu cần tìm kiếm. Năm 1970, nhà vật lý Ronald Drever chuyển đến California từ Scotland, làm việc tại Đại học Glasgow. Ông đã chế tạo một máy dò nhiễu theo thiết kế của mình cùng lúc với Weiss. Họ không phải là đối thủ cạnh tranh mà là đồng nghiệp và bạn bè, và kể từ thời điểm LIGO được thành lập, họ đã làm việc cùng nhau. Thật không may, R. Drever, người qua đời vào tháng 3 năm 2017, đã không thể sống được sáu tháng trước khi giải Nobel được trao cho bạn mình. Người đoạt giải Nobel thứ ba là nhà vật lý thực nghiệm Barry Barish, người từng là một trong những người đứng đầu Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Enrico Fermi Fermilab (gần Chicago), và từ năm 1993 là giáo sư tại Viện Công nghệ California. Dự án của Weiss và Drever tiến triển với tốc độ chậm - quá nhiều khoa học và kỹ thuật bài toán đã phải quyết định. Và mặc dù sau hơn 15 năm làm việc, nhóm của Weiss và Drever đã mở rộng lên 40 người, nhưng điều này rõ ràng là chưa đủ. Điều còn thiếu là một nhà vật lý có tư duy kỹ thuật và kinh nghiệm trong công tác tổ chức và hành chính. Barish chính là một người như vậy. Ông đã làm lại dự án từ góc độ kỹ thuật và trong vài năm đã thành lập một nhóm quốc tế lớn - nhóm cộng tác LIGO, nơi ông thu hút các nhóm nghiên cứu từ các quốc gia khác nhau (Ý, Đức, Nhật Bản, Nga) bằng kinh nghiệm cần thiết. Năng lượng thực sự điên cuồng của anh ấy, tính cách cho phép anh ấy làm việc tốt với những người có tính cách rất khác nhau và khả năng đảm bảo tài chính cho dự án đã đảm bảo cho sự hợp tác. Ngày nay, LIGO tuyển dụng hơn 1.200 nhà nghiên cứu từ 110 tổ chức khoa học ở 18 quốc gia. Những người tham gia Nga - một nhóm V.B. Braginsky từ Đại học quốc gia Moscow và một nhóm từ Viện Vật lý ứng dụng Nizhny Novgorod thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga. Theo những người đứng đầu dự án, Vladimir Borisovich Braginsky đã có đóng góp to lớn cho việc khám phá ra sóng hấp dẫn. Thật không may, ông đã qua đời vào ngày 29 tháng 3 năm 2016. Barish trở thành giám đốc LIGO vào năm 1994 và phục vụ cho đến năm 2005 thì ông vẫn giữ chức vụ này.

17

TIN TỨC

thành viên cộng tác, đã chấp nhận lời đề nghị lãnh đạo một dự án quốc tế toàn cầu khác của Hoa Kỳ - việc tạo ra một siêu máy gia tốc tuyến tính. Nhưng giải Nobel không rời bỏ ông. Nó đã kết thúc hơn mười năm nỗ lực của ông để hoàn thành dự án giao thoa kế laser. Dưới sự lãnh đạo của Barish, hai đài quan sát giống hệt nhau đã được xây dựng vào năm 1994–1998 - ở Hanford và Livingston, cách nhau 3000 km. Đến năm 2002, giao thoa kế laser đã được lắp đặt ở đó. Nhưng những phép đo đầu tiên đã cho thấy rằng dự án cần được làm lại một cách nghiêm túc. Hệ thống giao thoa kế không thể nhận ra các sự kiện đặc trưng của sóng hấp dẫn. Các nhà lý thuyết dưới sự lãnh đạo của Thorne đã thực hiện rất nhiều công việc tính toán lại biên độ biến dạng có thể có của sóng hấp dẫn. Hóa ra chúng thậm chí còn nhỏ hơn so với suy nghĩ trước đây, cụ thể là ở mức $10^{-} 20 - 10^{-} 21$ m. Thoạt nhìn, việc ghi lại các biến dạng với độ chính xác như vậy có vẻ là không thể. Rốt cuộc, nó cũng giống như việc đo khoảng cách đến các ngôi sao gần nhất với sai số một phần mười milimét. Nhưng những người lãnh đạo dự án đã không bỏ cuộc. Họ hóa ra là những người lạc quan, tin tưởng vào khả năng của nhóm mình và Barry Barish một lần nữa tìm cách đảm bảo nguồn tài trợ cho dự án. Cập nhật dự án đã bắt đầu. Việc sử dụng tia laser mạnh hơn do V.B. Nhóm của Braginsky về hệ thống treo ba gương cải tiến, sự phát triển của các nhà toán học từ Đại học quốc gia Moscow về phần mềm đăng ký tự động các sự kiện, và nhiều hơn thế nữa đòi hỏi thêm mười năm làm việc chăm chỉ. Vào năm 2014, hoạt động lắp đặt thường xuyên và liên tục đã bắt đầu, chỉ bị gián đoạn bởi các điểm dừng để tái tạo chân không cần thiết trong đường ống. Các nhà nghiên cứu đã không liên tục theo dõi màn hình để bắt được tín hiệu đặc trưng. Hệ thống ghi nhận nhiều tín hiệu phát sinh vì nhiều lý do khác nhau. Nhưng chúng không giống như những tín hiệu được tính toán

TRÊN U KI

được viết bởi Thorne và các nhà vật lý thiên văn khác. Nếu tín hiệu được yêu cầu xuất hiện, hệ thống sẽ tự chuyển tiếp tín hiệu đó tới email hoạt động ở một số trung tâm LIGO ở các thành phố châu Âu. Đây chính xác là những gì đã xảy ra vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, khi sóng hấp dẫn được phát hiện lần đầu tiên - trong vòng nửa giờ, tất cả những người tham gia cộng tác đều nhận được tin nhắn về sự kiện này. Quá trình xử lý tín hiệu và tính toán cẩn thận năng lượng của lỗ đen bắt đầu. Các nhà vật lý thiên văn bắt đầu kiểm tra tất cả dữ liệu về bức xạ ở khu vực bầu trời nơi sóng đến và thực sự họ đã phát hiện ra bức xạ điện từ ngắn hạn mạnh mẽ, điều này chỉ có thể giải thích bằng lực hút của khối lượng vào hai lỗ đen hội tụ mạnh (xét cho cùng, bản thân các lỗ đen không thể được nhìn thấy). Rất có thể nếu không có “gợi ý” của các nhà vật lý từ LIGO, các nhà vật lý thiên văn đã bỏ lỡ những đợt phát thải này - chúng tồn tại rất ngắn. Nhưng bây giờ mọi chuyện đã kết thúc, và sự kiện được ghi lại vào ngày 14 tháng 9 năm 2015 được coi là bằng chứng đáng tin cậy đầu tiên về sự tồn tại của không chỉ sóng hấp dẫn mà còn cả lỗ đen! Công việc nhận dạng kéo dài vài tháng và vào ngày 11 tháng 2 năm 2016, việc phát hiện ra sóng hấp dẫn đã được công bố tại cuộc họp báo tại CERN ở Geneva. Cùng ngày, một số đặc biệt của tạp chí vật lý có uy tín nhất, Physical Review Letters, đã được xuất bản, nơi khám phá này được công bố. Trong hai năm qua, bốn lần phát hiện sóng hấp dẫn nữa đã xảy ra. Việc đăng ký vào ngày 17 tháng 8 năm 2017 đặc biệt thú vị. Vào ngày này, lần đầu tiên một sóng hấp dẫn từ sự hợp nhất của hai ngôi sao neutron đã được ghi lại, đồng thời sự kiện này được các nhà thiên văn học quan sát là sự biến đổi của hai ngôi sao thành một. Và ở đây Ủy ban Nobel Vật lý không còn nơi nào để đi. Khám phá này đã trở thành sự thật và được mọi người nhất trí công nhận là xứng đáng với giải thưởng Nobel 2017. Giải thưởng được trao cho các nhà vật lý người Mỹ Rainer Weiss, Kip Thorne và Barry Barish. Về mặt tiền tệ, một nửa giải thưởng được trao