Sóng hấp dẫn là những gợn sóng lan đi của chính không thời gian, sinh ra khi những vật thể rất nặng chuyển động dữ dội, như hai lỗ đen xoáy vào nhau. Einstein dự đoán chúng từ thuyết tương đối rộng, nhưng phải gần một trăm năm sau, năm hai nghìn không trăm mười lăm, con người mới đo được trực tiếp lần đầu, nhờ những máy dò nhạy tới mức khó tưởng tượng.
Chào bạn, đây là Nhà Học Thuật. Phát hiện này thường được ví như lần đầu nhân loại không chỉ nhìn vũ trụ mà còn nghe được nó. Tập này mình kể vì sao việc đo nó khó đến vậy, và những người đã theo đuổi nó suốt cả đời.
Einstein dự đoán rồi chính ông nghi ngờ
Năm một nghìn chín trăm mười sáu, ngay sau khi hoàn thành thuyết tương đối rộng, Einstein chỉ ra rằng phương trình của ông cho phép những gợn sóng của không thời gian lan đi với tốc độ ánh sáng.
Nhưng ông tính ra rằng chúng cực kỳ yếu, và tin rằng không bao giờ đo được. Có giai đoạn ông còn nghi ngờ chúng có thật, nghĩ rằng đó chỉ là ảo ảnh của cách chọn toạ độ. Một bài báo ông gửi đi giữa thập niên ba mươi ban đầu kết luận sóng hấp dẫn không tồn tại, rồi được sửa lại sau khi một lỗi được chỉ ra.
Cuộc tranh luận về việc sóng hấp dẫn có mang năng lượng thật không kéo dài tới cuối thập niên năm mươi, khi một lập luận đơn giản thuyết phục được giới vật lý: nếu sóng làm một hạt cườm trượt trên thanh, gây ma sát, sinh nhiệt, thì nó mang năng lượng thật.
Câu hỏi còn lại là làm sao đo được một thứ yếu đến thế.
Bằng chứng gián tiếp từ một cặp sao
Năm một nghìn chín trăm bảy mươi tư, Russell Hulse và Joseph Taylor phát hiện một sao xung, tức sao neutron quay nhanh phát xung vô tuyến đều đặn, quay quanh một sao neutron khác.
Theo dõi nhiều năm, họ thấy quỹ đạo của cặp sao co lại dần, đúng tốc độ mà thuyết tương đối dự đoán nếu hệ đang mất năng lượng do phát sóng hấp dẫn. Đây là bằng chứng gián tiếp mạnh mẽ, và hai ông nhận giải Nobel năm một nghìn chín trăm chín mươi ba.
Trước đó, từ thập niên sáu mươi, nhà vật lý Joseph Weber đã chế tạo những thanh kim loại lớn để bắt sóng hấp dẫn, và tuyên bố đã thấy tín hiệu. Các nhóm khác không lặp lại được kết quả. Dù vậy, Weber được ghi nhận là người tiên phong mở ra lĩnh vực đo trực tiếp.
Bằng chứng gián tiếp chưa đủ. Các nhà vật lý muốn bắt được chính gợn sóng khi nó đi qua Trái Đất.
Đo một độ co giãn nhỏ hơn hạt proton
Khi sóng hấp dẫn đi qua, nó kéo giãn không gian theo một hướng và nén theo hướng vuông góc, rồi đảo lại. Ý tưởng đo là dùng hai cánh tay vuông góc dài nhiều cây số, chiếu tia laser dọc theo mỗi cánh, rồi so sánh độ dài hai cánh bằng giao thoa ánh sáng.
Vấn đề là sóng từ một sự kiện cách hàng trăm triệu năm ánh sáng chỉ làm cánh tay dài bốn cây số thay đổi một khoảng nhỏ hơn một phần nghìn đường kính hạt proton. Xe tải chạy ngoài đường, sóng biển xa, động đất ở bên kia địa cầu đều gây rung lớn hơn thế rất nhiều.
Rainer Weiss phác thảo thiết kế từ đầu thập niên bảy mươi. Kip Thorne xây nền tảng lý thuyết, tính trước những dạng sóng mà máy cần nhận ra. Barry Barish, từ giữa thập niên chín mươi, biến dự án từ một nhóm nhỏ thành một tổ chức lớn có thể thực hiện được.
Hai máy dò được xây ở hai bang cách xa nhau của nước Mỹ. Một tín hiệu thật phải xuất hiện ở cả hai, cách nhau vài phần nghìn giây.
Ngày mười bốn tháng chín năm hai nghìn không trăm mười lăm
Chỉ ít ngày sau khi bản nâng cấp của máy dò bắt đầu hoạt động, cả hai máy ghi được một tín hiệu rõ ràng: một tiếng ríu ngắn chưa tới một giây, tần số và biên độ tăng dần rồi tắt hẳn.
So với những dạng sóng đã tính trước, tín hiệu khớp với hai lỗ đen, mỗi cái nặng khoảng ba mươi lần Mặt Trời, xoáy vào nhau và hợp lại, ở cách xa hơn một tỷ năm ánh sáng. Trong khoảnh khắc va chạm, năng lượng toả ra dưới dạng sóng hấp dẫn tương đương khối lượng của khoảng ba lần Mặt Trời.
Nhóm nghiên cứu mất nhiều tháng kiểm tra để loại trừ mọi khả năng nhầm lẫn, kể cả khả năng có người cố tình chèn tín hiệu giả để thử quy trình. Tháng hai năm sau, họ công bố.
Đây là lần đầu tiên con người phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn, và cũng là bằng chứng trực tiếp đầu tiên rằng có những cặp lỗ đen hợp nhất.
Giải Nobel và một cửa sổ mới
Năm hai nghìn không trăm mười bảy, giải Nobel vật lý được trao cho Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne. Ronald Drever, một trong những người sáng lập dự án, đã qua đời đầu năm đó. Bản thân những người nhận giải nhấn mạnh rằng đây là thành quả của hơn một nghìn nhà khoa học.
Cùng năm, các máy dò ghi được sóng hấp dẫn từ hai sao neutron va nhau, và lần này kính thiên văn khắp thế giới cũng thấy ánh sáng từ vụ nổ. Quan sát này cho thấy những vụ va chạm như vậy tạo ra nhiều nguyên tố nặng như vàng và bạch kim.
Từ đó, thiên văn học sóng hấp dẫn trở thành một ngành thường xuyên, với hàng trăm sự kiện được ghi nhận, và các máy dò mới ở châu Âu, Nhật Bản, cùng kế hoạch đặt máy dò ngoài không gian.
Có thể bạn đang đeo một món trang sức bằng vàng. Rất có thể, các nguyên tử trong nó đã được rèn trong một vụ va chạm làm rung chuyển không thời gian, từ rất lâu trước khi có Trái Đất.
Câu hỏi thường gặp
Sóng hấp dẫn có nguy hiểm cho con người không?
Không. Khi tới Trái Đất, chúng đã yếu tới mức chỉ những máy dò nhạy nhất mới nhận ra. Không ai cảm thấy được chúng.
Có thể bắt được sóng hấp dẫn từ vụ nổ lớn không?
Các nhà vũ trụ học hy vọng tìm dấu vết của sóng hấp dẫn nguyên thuỷ trong cách phân cực của bức xạ nền vũ trụ. Từng có một công bố gây chấn động về dấu vết ấy, nhưng sau đó tín hiệu được giải thích là do bụi trong Ngân Hà, nên cuộc tìm kiếm vẫn tiếp tục.
Sóng hấp dẫn khác sóng điện từ thế nào?
Sóng điện từ, như ánh sáng, là dao động của điện trường và từ trường lan trong không gian. Sóng hấp dẫn là dao động của chính không gian và thời gian. Cả hai cùng truyền với tốc độ ánh sáng, điều đã được xác nhận khi quan sát hai sao neutron va nhau.
Vì sao cần hai máy dò cách xa nhau?
Để loại trừ nhiễu cục bộ như động đất nhỏ hay xe cộ, vì nhiễu ấy không thể xuất hiện đồng thời ở hai nơi xa nhau. Độ lệch thời gian giữa hai máy còn giúp xác định hướng của nguồn sóng.
Kip Thorne còn được biết đến qua đâu?
Ngoài nghiên cứu, ông là cố vấn khoa học và đồng sản xuất cho một bộ phim khoa học viễn tưởng nổi tiếng về lỗ đen và du hành không gian, và viết sách giải thích khoa học trong bộ phim ấy.
