Những điểm đặc biệt của sóng hấp dẫn

Sản sinh từ những xáo động lớn nhất trong vũ trụ, không tương tác với vật chất nên chúng không bị cản trở khi di chuyển là những điểm đặc biệt về sóng hấp dẫn.

Albert Einstein từng tiên đoán về sóng hấp dẫn thuyết tương đối phổ quát của ông cách đây một thế kỷ. Theo giả thuyết này, không gian và thời gian quyện lại với nhau thành một thể là "không thời gian" (spacetime) – tạo ra chiều thứ tư trong vũ trụ, bên cạnh khái niệm không gian 3 chiều chúng ta có trước kia.

Theo AFP, Einstein phỏng đoán rằng vật chất uốn bẻ không thời gian thông qua lực hấp dẫn. Một ví dụ phổ biến là coi không thời gian như tấm bạt nhún, còn vật chất là quả bóng được đặt trên nó. Các vật thể trên bề mặt tấm bạt nhún thường có xu thế "rơi" về phía trung tâm – tượng trưng cho lực hấp dẫn.

Khi các khối vật chất tăng tốc, như khi hai lỗ đen lao vào nhau, chúng tạo ra các sóng dọc theo các không thời gian uốn quanh xung quan chúng – hệt như các gợn sóng trên mặt hồ vậy. Các sóng này di chuyển với tốc độ ánh sáng trong vũ trụ.

Kích cỡ các khối vật chất càng lớn thì sóng sẽ càng mạnh hơn và dễ phát hiện hơn.

Sóng hấp dẫn không tương tác với vật chất nên chúng không bị cản trở khi di chuyển quanh vũ trụ.

Các sóng mạnh nhất sản sinh từ những xáo động mạnh nhất trong vũ trụ - khi hai lỗ đen va chạm, các ngôi sao khổng lồ phát nổ hoặc sự ra đời của vũ trụ cách đây khoảng 13,8 tỷ năm.

Vì sao phát hiện sóng hấp dẫn là điều quan trọng?

Tìm ra bằng chứng về sóng hấp dẫn chính thức đưa ra bằng chứng cho một trong những tiên đoán quan trọng của thuyết tương đối của Einstein, điều đã thay đổi cách nhìn nhận của nhân loại về không gian và thời gian.

Phát hiện về sóng hấp dẫn mở ra những chân trời mới thú vị cho thiên văn học, cho phép đo đạc các ngôi sao, thiên hà và các hố đen từ rất xa dựa trên bức sóng mà chúng tạo ra.

Một mặt gián tiếp, nó đưa thêm bằng chứng rằng lỗ đen trên thực tế là có tồn tại (các nhà khoa học chưa bao giờ trực tiếp quan sát được lỗ đen).

Công bố mới chưa phát hiện ra được sóng hấp dẫn nguyên thủy (loại khó phát hiện nhất). Nếu tìm được sóng này, sẽ khẳng định hơn nữa học thuyết về "sự giãn nở" hay mở rộng kích thước vũ trụ theo cấp số nhân.

Sóng nguyên thủy được cho là vẫn đang cộng hưởng khắp vũ trụ hiện nay, dù yếu. Phát hiện về sóng hấp dẫn sẽ cho chúng ta thấy mức năng lượng cần thiết khi hiện tượng giãn nở không gian trong vũ trụ xảy ra, làm sáng tỏ thêm về vụ nổ Big Bang.

Tại sao sóng hấp dẫn khó phát hiện?

Bản thân Einstein từng nghi ngờ rằng nhân loại sẽ không bao giờ phát hiện ra sóng hấp dẫn vì kích thước của chúng quá nhỏ. Ví dụ như gợn sóng từ hai lỗ đen nhập với quy mô tầm 1 triệu km khi đến trái đất chỉ còn kích cỡ một nguyên tử.

Gợn sóng từ cách xa hàng chục triệu năm ánh sáng sẽ biến các chùm sáng dài 4 km xuống chỉ còn kích cỡ của một proton.

Năm 1974, các nhà khoa học phát hiện quỹ đạo của cặp sao neutron trong thiên hà trở nên nhỏ hơn khi xoay quanh một khối vật chất trung tâm. Điều này phù hợp với luận điểm năng lượng mất đi thông qua sóng hấp dẫn. Phát hiện này từng được trao giải Nobel Vật lý vào năm 1993. Các nhà khoa học cho rằng phát hiện mới này về sóng hấp dẫn cũng có thể sẽ được trao giải Nobel.

Sau khi nhà vật lý người Mỹ Joseph Weber tạo ra máy dò dạng xi lanh nhôm đầu tiên vào năm 1960, hàng chục năm sau, các phát minh khác ra đời như kính thiên văn, vệ tinh và chùm tia laser.

Kính thiên văn đặt tại trái đất và không gian chuyên dùng để phát hiện bức xạ nền vi sóng vũ trụ - ánh sáng còn sót lại từ vụ nổ Big Bang, để chứng minh sóng hấp dẫn bẻ cong và làm kéo dãn không thời gian.

Năm 2014, các nhà thiên văn Mỹ từng thông báo họ xác định được sóng hấp dẫn qua kính thiên văn BICEP2 đặt tại Nam Cực. Nhưng sau đó, họ thừa nhận rằng họ đã nhầm lẫn.

Chúng ta có thể nhìn thấy chúng bằng cách nào?

Sóng hấp dẫn chạy qua một vật thể sẽ làm thay đổi hình dạng, kéo dài và ép nó theo hướng sóng đang di chuyển, và để lại dấu vết rất nhỏ.

Để xác định các sóng hấp dẫn, nhóm các nhà khoa học của LIGO sử dụng hệ thống quang học hình chữ "L". Hệ thống gồm hai phần được đặt tại bang Louisiana và Washington. Chúng có nhiệm vụ phát hiện các nếp sóng hấp dẫn bằng thiết bị đo giao thoa laser. Mỗi thiết bị dài hơn 4 km. Các nhà khoa học chia ánh sáng laser thành hai chùm vuông góc với độ dài vài km.

Chùm laser sau đó được phản chiếu qua lại liên lục giữa 2 tấm kính trước khi được trả về điểm ban đầu. Bất kỳ sự khác biệt trong chiều dài của hai tia vuông góc sẽ cho thấy ảnh hưởng của sóng hấp dẫn.