Tiếng vọng từ Sáng Thế (2)
Nh́n những gợn sóng vỗ trên bờ biển Santa Barbara, Calif. Einstein đang nghĩ về những dợn sóng vũ trụ thuở hồng hoang ?
***
Từ định luật của Hubble về vũ trụ giăn nở, các nhà vũ trụ đă t́m ṭi được về lịch sử của vũ trụ.
Sáng thế của vũ trụ bắt đầu với một Vụ nổ lớn (Big Bang). Từ không đến có vũ trụ là một khoảng thời gian cực kỳ ngắn. Trước thời điểm 10-43 giây (0. và 43 số 0), c̣n gọi là thời gian Plank, đơn vị thời gian nhỏ nhất mà môn vật lư và toán học của chúng ta có thể nhận thức được. Vũ trụ từ chưa có chuyển thành một vũ trụ “hư không” rất nhiều chiều, một hư không chỉ có thể hiểu bằng thiền định.
Từ 10-43 giây đến 10-34 giây, nhiệt độ lúc này là 1032 độ Kelvin (nóng gấp 10 triệu tỷ tỷ lần nhiệt độ mặt trời), vũ trụ h́nh thành và giăn nở với vận tốc tăng dần (lạm phát). Tốc độ giăn nở cao hơn vận tốc ánh sáng nhiều lần.
Đến thời điểm này, vũ trụ mới chỉ to bằng ngân hà của chúng ta hiện nay. Từ 10-34 giây trở đi, vũ trụ giăn nở b́nh thường đến phút thứ 3 th́ các hạt nhân h́nh thành. Và cần thêm tới 380.000 năm nữa, các nguyên tử mới h́nh thành. Sau 1 tỉ năm mới có các ngôi sao nhờ hiện tượng kết tụ. Kể từ Big Bang đến nay là 13,7 tỉ năm. Vũ trụ đă có vô vàn thiên hà và vẫn tiếp tục giăn nở.
Ánh sáng đi từ Mặt trời đến Trái đất mất 8 phút. Nhiều ngôi sao chúng ta nh́n thấy bằng mắt thường, ánh sáng của chúng đi tới Trái đất mất khoảng 100 năm ánh sáng, tức là cái ánh sáng mà ta nh́n thấy thật ra đă được phát đi từ 100 năm trước (hay nói rơ hơn chúng ta đang nh́n h́nh ảnh của ngôi sao từ 100 năm trước).
Ánh sáng mờ nhạt đi từ các thiên hà thật xa, cần cả tỉ năm để đến Trái đất, tức là khi ta nh́n thấy, ánh sáng đó đă được phát ra từ cả tỉ năm trước - một thứ ánh sáng “hóa thạch”.
Bằng cách này, các nhà thiên văn có thể “khảo cổ” vào quá khứ xa xưa của vũ trụ. Nếu sử dụng một thiết bị thiên văn thật tinh xảo, các nhà khoa học có thể nh́n được những ǵ phát ra từ thuở Sáng thế.
Năm 2001, Nasa đă phóng lên quỹ đạo của Mặt trời một vệ tinh quan sát thiên văn có tên WMAP (Wilkinson microwave anisotrophy probe - đầu đo dị hướng vi sóng Wilkinson).
Vũ trụ sơ sinh lúc mới chỉ 380.000 năm tuổi, nhiệt độ 3000° K và các nguyên tử đang được sinh ra. Bức xạ siêu âm nền của vũ trụ (Cosmic Microwave Background Radiation/ CMBR) do vệ tinh WMAP chụp.
mỗi điểm ảnh ứng với một thăng giáng lượng tử của ánh sáng di tích c̣n lại từ Sáng Thế. Mỗi điểm thăng giáng này giăn nở h́nh thành nên các Thiên Hà ngày nay.
Vệ tinh này nằm cách Trái đất 1,5 triệu km để tránh các sóng nhiễu loạn của Trái đất, vị trí của nó cũng được tính toán để né sự che khuất do Mặt trời và Mặt trăng trong lúc nó “quét” sóng toàn bộ bầu trời. WMAP đă làm được ba việc dị thường: một là, chụp được bức ảnh sơ sinh của vũ trụ, lúc mới khoảng 380.000 năm tuổi; hai là, đo được nhiệt độ nền của vũ trụ, khoảng 2,7 độ Kelvin (-270,45 độ C) và ba là, vũ trụ h́nh thành với 23% của một chất gọi là vật chất tối và 73% năng lượng vũ trụ là năng lượng tối.
Đến nay chưa ai thực sự biết năng lượng tối và vật chất tối là ǵ, mặc dù Einstein đă đưa ra "năng lượng tối", chính là hằng số vũ trụ hay vũ trụ hạng, the cosmological constant, từ năm 1917. Sau đó ông gọi "năng lượng tối” là sai lầm lớn nhất.
Cùng với dữ liệu của vệ tinh COBE và quan sát các siêu sao trong những năm 1990, WMAP đă cho thấy sai lầm của thiên tài hóa ra cũng vẫn có thể đúng. Hằng số vũ trụ ʌ, "sai lầm" của Einstein, bất ngờ sống lại. Ngày nay năng lượng tối được cho là cái tạo ra trường phản hấp dẫn, đẩy các thiên hà ra xa nhau chính xác là tính chất của Vũ trụ hạng
***
Các vật thể chuyển động có gia tốc (chuyển động với vận tốc không đều) và theo quỹ đạo không đối xứng cầu hoặc đối xứng trụ, đều bức xạ năng lượng ra bên ngoài dưới dạng sóng hấp dẫn. Vật thể càng nặng, sóng hấp dẫn phát ra càng mạnh. Hai hành tinh chuyển động quanh nhau như Trái đất và Mặt trời cũng phát ra sóng hấp dẫn.
Những hệ sao đôi ( binary star), có hai thiên thể chuyển động quanh một trục chung cũng phát ra sóng hấp dẫn, kết quả là chúng mất dần năng lượng, tốc độ quay tăng dần trên quỹ đạo hẹp dần, trở thành h́nh xoáy ốc đến khi sáp nhập thành một.
Sóng hấp dẫn phát ra từ chúng có tần số tăng dần (hiện tượng di tần). Nếu quan sát được sóng này, từ Trái đất có thể xác định được khối lượng và khoảng cách từ sao đôi đến Trái đất.
Cũng như các loại sóng khác, sóng hấp dẫn có biên độ, tần số, bước sóng và tốc độ. Tốc độ của sóng hấp dẫn bằng tốc độ ánh sáng. Tần số của sóng hấp dẫn rất thấp nên bước sóng của chúng rất dài, truyền tải năng lượng rất bé. Đây là lư do rất khó bắt được sóng hấp dẫn. Khi lan đến Trái đất, tần số của sóng hấp dẫn vào khoảng 10-16Hz đến 104Hz.
Nhưng khác các loại sóng như sóng âm thanh, ánh sáng và điện từ, sóng hấp dẫn đi xuyên qua mọi vật chất cản đường nó. Ánh sáng và sóng radio đi từ các thiên hà xa xôi hay đi từ quá khứ của vũ trụ có thể bị các đám bụi sao cản đường khi đang đến Trái đất. Nhưng sóng hấp dẫn th́ không.
1,3 tỉ năm trước ở một thiên hà rất xa xôi, có hai hố đen bị dính vào một quỹ đạo xoắn ốc, rồi ở khoảnh khắc cuối cùng chúng đâm sập vào nhau với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.
Vụ va chạm đă tạo ra một hố đen mới nặng bằng 62 lần khối lượng Mặt trời, đồng thời phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và tinh khiết. Toàn bộ năng lượng ấy bức xạ vào vũ trụ chỉ trong khoảng 1/10 giây và làm biến dạng không gian, thời gian xung quanh vụ va chạm trong chớp mắt.
Bởi vụ va chạm là của hai lỗ đen, nên năng lượng phát ra không phải là sóng ánh sáng mà là sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn này lan trong không gian và liên tục làm co giăn không gian khi nó đi qua.
Đó chính là không gian - thời gian (Không Thời gian) trong vũ trụ của Einstein, hoàn toàn khác với không gian vũ trụ đồng nhất của Newton. Sóng hấp dẫn ấy phát đi khi ở trên Trái đất, sự sống mới manh nha ở thể đa bào.
Trong hành tŕnh dài 1,3 tỉ năm để sóng hấp dẫn kia lan đến Trái đất, trên Trái đất cuộc sống đă tiến hóa không ngừng, từ tế bào đến thực vật, từ khủng long đến loài người. Từ Kepler, Newton, Einstein và đến Kip Thorne.
Năm 1962, hai nhà khoa học là Gertsenshtein và Pustovoit xuất bản một bài báo đề xuất các nguyên tắc ḍ t́m sóng hấp dẫn bước sóng dài bằng giao thoa kế. Năm 1973, Kip Thorne - nhà vật lư lư thuyết ở Học viện Caltech - bắt đầu hành tŕnh săn lùng sóng hấp dẫn của ḿnh.
Nhà vật lư lư thuyết ở Học viện Caltech, Kip Thorne
Năm 1984, ông và Ronald Drever, Rainer Weiss thành lập ủy ban lâm thời để xây dựng dự án LIGO (Laser Interferometer Gravitational - Wave Observatory - Trạm quan trắc sóng hấp dẫn giao thoa kế laser). Năm 2002, LIGO bắt đầu ḍ t́m sóng hấp dẫn. Năm 2015, phiên bản hiện đại hơn với tên gọi Advanced LIGO đi vào hoạt động.
Ngày 11-2-2016, LIGO công bố đă ḍ t́m được sóng hấp dẫn của một vụ sáp nhập hố đen cách chúng ta 1,3 tỉ năm ánh sáng (cũng có nghĩa là sóng từ một vụ sáp nhập cách nay 1,3 tỉ năm).
Ngày 15-6-2016, LIGO công bố lần thứ hai ḍ được sóng hấp dẫn từ một vụ sáp nhập hố đen cách Trái đất 1,4 tỉ năm ánh sáng.
***
Hai thành phần chính của LIGO là các máy ḍ chuyên dụng đặt ở Washington và Louisiana, được thiết kế để phát hiện ra các gợn sóng nói trên. Bộ đôi máy ḍ này sẽ liên tục quan sát t́m kiếm sóng hấp dẫn phát sinh từ sự sáp nhập của các vật thể siêu dày đặc nằm ở những nơi rất xa trong vũ trụ, thí dụ như các lỗ đen hoặc sao neutron. Khi các vật thể này sáp nhập, chúng sẽ xoắn quanh nhau với tốc độ cực nhanh, khoảng vài lần mỗi giây, trước khi cùng nhau hợp nhất thành một vật thể khác siêu dày đặc. Hành động này được ví như sự khiêu vũ của 2 con quái vật của vũ trụ và cái nó tạo ra chính là những gợn sóng hấp dẫn khổng lồ trong không thời gian, sau đó di chuyển ra xung quanh với tốc độ ánh sáng và cuối cùng là tới Trái Đất. Khi tới nơi, những gợn sóng đă yếu đi rất nhiều nên cần những thiết bị cực nhạy, thí dụ như máy ḍ LIGO để bắt được.
Hai đài quan trắc săn lùng sóng trọng lực: LIGO Livingston Observatory, Livingston, Luisiana và LIGO Hanford Observatory, Richland Washington
A technician works on some of the optics for a Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory detector. Credit: LIGO Laboratory
A Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) technician performs a Large optic inspection in this undated photo released by Caltech/MIT/LIGO Laboratory on Tuesday.
The twin detectors, a system of two identical detectors constructed to detect incredibly tiny vibrations from passing gravitational waves, are located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington.
Scientists said February 11, 2016 they have for the first time detected gravitational waves, ripples in space and time hypothesized by physicist Albert Einstein a century ago,
in a landmark discovery that opens a new window for studying the cosmos. | REUTERS / CALTECH /MIT / LIGO LABORATORY / HANDOUT VIA REUTER
David Reitze, executive director of the LIGO Laboratory at Caltech, announces that scientists have observed ripples in the fabric of spacetime called gravitational waves for the first time,
confirming a prediction of Albert Einstein's theory of relativity, during a press conference at the National Press Club in Washington, DC, February 11, 2016. AFP/Getty Images
LIGO là một thiết bị khổng lồ vô cùng tinh xảo. Máy ḍ sóng hấp dẫn LIGO là hai đường ống dài khoảng 4km, nối với nhau h́nh chữ L. Ống được hút chân không cực cao, chỉ c̣n 1 phần ngàn tỉ áp suất không khí b́nh thường. Trong mỗi ống có một chùm tia laser được chiếu liên tục.
Hai chùm tia gặp nhau ở góc chữ L. Các sóng laser được tính toán sao cho chúng triệt tiêu nhau và tạo nên giao thoa.
Do hiện tượng phân cực, hai ống vuông góc với nhau nên chỉ có một ống sẽ bị sóng hấp dẫn đập vào. Khi sóng hấp dẫn đập vào một trong hai ống, chiều dài ống sẽ bị co giăn khác với ống kia, gây ra nhiễu loạn phá vỡ cân bằng của hai chùm laser, và làm mất các vân giao thoa.
Độ co giăn của một ống dài 4km do ảnh hưởng của sóng hấp dẫn lại rất bé, chỉ cỡ 1/10.000 bề rộng của một hạt proton. Nếu phóng đại chiều dài của ống từ 4km lên tới khoảng cách từ Trái đất đến ngôi sao gần nhất bên ngoài hệ Mặt trời th́ độ co giăn này sẽ có bề dày một sợi tóc.
Độ co giăn nhỏ như vậy nên LIGO cần các gương phản chiếu laser trong giao thoa kế cực kỳ tinh xảo. Gương được mài nhẵn tới độ phẳng 1/30 tỉ inch và được điều khiển bằng 6 nam châm điện chỉ bé bằng con kiến.
Toàn bộ đường ống của LIGO được đặt trên các trụ cách ly địa chấn bằng thép và ḷ xo đặc biệt, đứng trên các sàn bêtông dày 76cm, các sàn này không được tựa vào bất cứ bờ tường nào. Theo tính toán, để phát hiện sự va chạm của hai hố đen cách Trái đất 300 triệu năm ánh sáng, LIGO có thể phải chờ đợi từ 1-1.000 năm.
Cuối cùng, Advanced LIGO phát hiện sự va chạm của hai hố đen cách Trái đất 1,3 tỉ năm chỉ vài tháng sau khi được sửa chữa, nâng cấp.
Tín hiệu của sóng hấp dẫn ấy ở LIGO thể hiện dưới dạng âm thanh nghe thấy được. Một tiếng kêu khẽ của con sóng vũ trụ: Chirp! (1)
Tiếng kêu khẽ (chirp) vang vọng từ thuở sáng thế
Tháng 2/2016. các nhà khoa học tại LIGO tuyên bố đă lần đầu tiên trong lịch sử quan sát được sóng hấp dẫn tạo thành từ 2 lỗ đen hợp nhất nhau cách đây 1,3 tỷ năm ánh sáng. Đây được đánh giá là phát hiện mang tính cách mạng trong lĩnh vực thiên văn học, cho phép các nhà khoa học có một cách hoàn toàn mới để nghiên cứu những vật thể bí ẩn nằm đâu đó trong vũ trụ xa xôi. Sau này, LIGO tiếp tục tuyên bố đă phát hiện thêm 3 lần bắt được sóng hấp dẫn. Và một trung tâm quan sát tại Châu Âu là Virgo cũng đă phát hiện ra sóng hấp dẫn, đồng thời định vị được nguồn sóng với độ chính xác chưa từng có. Laura Cadonati, giáo sư vật lư học tại VIện công nghệ Georgia, một thành viên tại LIGO cho biết “chúng ta đă mở ra một cánh cửa mới để quan sát vũ trụ vốn mới chỉ được khẽ nh́n. Phát hiện này thật sự vĩ đại v́ nó không phải là dấu chấm hết mà là sự mở đầu cho những phát hiện khác.”
Việc phải đến cuối cùng đă đến với những kỳ công như chuyện giả tưởng nhằm chứng minh cho một tiên đoán cách nay đúng 100 năm đă được tôn vinh với giải thưởng cao quư nhất và danh giá nhất: giải Nobel Vật Lư 2017
Giải Nobel Vật lư 2017 đă được trao về 3 nhà khoa học Rainer Weiss tại viện MIT cùng Kip Thorne và Barry Barish tại Caltech, Cả 3 giáo sư nói trên đều là những thành viên quan trọng tại LIGO, các giáo sư này gần như là những người tiên phong trong quá tŕnh nghiên cứu. Weiss đă ủng hộ ư tưởng dùng các xung laser dài hàng km để phát hiện sóng hấp dẫn một cách hiệu quả dưới Trái Đất và cuối cùng, ông đă dấu tranh để nó được áp dụng trên LIGO. Đồng thời, ông c̣n là người t́m được cách nhận diện độ nhiễu vốn có thể làm sai kết quả quan sát.
Trong khi đó, Thorne là người khẳng định rằng các lỗ đen hoặc sao neutron đang cuộn xoắn vào nhau mới là nguồn phát sóng hấp dẫn tốt nhất cho nghiên cứu chứ không phải từ vụ nổ của các ngôi sao như nhiều ư kiến khác. Cuối cùng là giáo sư Barish, người hiện thực hóa mọi chuyện tại LIGO. Ông là điều tra viên chính của LIGO từ 1994 và sau đó trở thành nhân vật đầu tàu trong việc t́m tài trợ và xây dựng cả 2 đài quan trắc LIGO Livingstone và LIGO Hanford từ Quỹ khoa học Quốc gia. Các đồng nghiệp nói ông chính là cầu nối liên kết hàng ngàn nhà khoa học khác để cùng nhau hợp tác trong nghiên cứu.
***
Phát hiện sóng hấp dẫn của LIGO lần đầu tiên giúp khoa học chứng minh trực tiếp bằng thực nghiệm có sự tồn tại của một cặp hố đen, vốn chỉ tồn tại trên lư thuyết.
Dữ liệu đo được c̣n giúp các nhà khoa học biết về hai hố đen này: khối lượng của hố đen, vận tốc quỹ đạo, thời điểm chúng đâm vào nhau. Có thể dữ liệu ấy c̣n giúp giải thích các hố đen siêu nặng đă h́nh thành như thế nào ở tâm các thiên hà.
Phát hiện sóng hấp dẫn của LIGO c̣n chứng minh Einstein tiếp tục đúng ở một khía cạnh khác: khía cạnh lực hấp dẫn trong thuyết tương đối kỳ ảo của ông. Lần đầu tiên sóng hấp dẫn được chứng minh bằng bằng chứng thực nghiệm đến từ bên ngoài hệ Mặt trời.
Rainer Weiss, một trong ba nhà khoa học sáng lập LIGO, rất ngạc nhiên tại sao Einstein có thể tiên đoán việc này từ 100 năm trước.
Weiss nói rằng vào buổi sáng mà LIGO ḍ thấy sóng hấp dẫn, ông ước ao được mang kết quả thực nghiệm này đến cho Einstein xem và xem mặt của thiên tài khoa học ấy biểu hiện những ǵ. Có lẽ Einstein không nói ǵ, ông lè lưỡi sau khi kêu lên khe khẽ: Chirp.■
(1): Chirp: tiếng kêu rất khẽ của một con chim hoặc thú nhỏ.
________________
Từ:
Tiếng vọng Sáng Thế (Nguyễn Phương Văn) TTO 12/12/2016
Nobel Vật lư 2017 được trao cho 3 nhà khoa học có công trong việc phát hiện ra sóng hấp dẫn (NdMinhDuc) Tinhte.vn
Bổ túc thêm chi tiết, youtube, h́nh ảnh và phụ chú bới người post bài
Bookmarks