Cách Đo Những Dao Ripples Trên Không Gian Thời Gian năm 2025

Khoảng 1.8 tỷ năm trước, trong một thiên hà xa xôi, hai đen lớn mênh mông xoắn vào nhau, và sự hợp nhất thảm họa của chúng gửi những làn sóng xuyên qua cả cấu trúc của vũ trụ. Vào ngày 14 tháng 8, 2017, những dao ripples trong không gian thời gian—gọi là sóng trọng lực—tràn qua Trái Đất, nơi chúng được phát hiện bởi một cơ sở cập nhật mới ở quê Ý.

Bộ quan sát Virgo là một đài quan sát cho sóng trọng lực, đặt giữa những ngọn đồi uốn cong của vùng nông thôn của Tuscany. Ba ngày sau đó, nó bắt được một dao ripples khác, lần này từ sự hợp nhất của hai ngôi sao neutron. Với sự giúp đỡ từ LIGO—một cặp các bộ quan sát tương tự ở Hoa Kỳ—các nhà khoa học có thể xác định nơi mà sự hợp nhất đã xảy ra trên bầu trời và hướng các đài quan sát thông thường của họ theo hướng đúng để nhìn thấy sự kiện trên phổ điện từ. 

Đó là bình minh của một kỷ nguyên mới của thiên văn “đa người gửi tin” (multi-messenger) trong đó hiện nay có thể quan sát những sự kiện vũ trụ mạnh mẽ không chỉ thông qua ánh sáng đến từ vũ trụ, mà còn thông qua các “người gửi tin” khác, bao gồm cả sóng trọng lực. “Chúng tôi đã dành nhiều năm trình bày cho đồng nghiệp rằng chúng tôi sẽ mở cửa sổ mới cho vũ trụ, nhưng không ai thực sự tin,” nói Giovanni Losurdo, một nhà vật lý đã tham gia vào Virgo từ năm 1992. “Nhiều lần tôi bị nản lòng—dường như quá khó khăn—vì vậy khi điều này xảy ra, đó chỉ là một phần thưởng tuyệt vời.”

Những sóng trọng lực bắt đầu như một đợt sóng mạnh mẽ nhưng suy giảm khi lan rộng xa, giống như những đợt sóng nhỏ dần tạo ra bởi một viên đá ném vào một ao. Khi chúng đến Trái Đất, tín hiệu của chúng rất nhỏ, điều này có nghĩa là việc phát hiện chúng là một thách thức vĩ đại. Để đối mặt với nó, Virgo, LIGO (Trạm Quan sát Sóng Trọng Lực Laser Interferometer), và KAGRA của Nhật Bản (Bộ Dò Sóng Trọng Lực Kamioka) đều sử dụng cùng một kỹ thuật tài tình.

Một tia laser được phóng vào một chia tia, gửi hai tia giống nhau xuống hai đường hầm giống nhau, được bố trí thành một hình chữ L vuông góc nhau. Ở cuối mỗi đường hầm có một tấm gương gửi tia ngay trở lại chia tia, nơi ánh sáng kết hợp và có thể được đo bằng các bộ phát hiện ánh sáng. 

Khi một sóng trọng lực đi qua Trái Đất, nó làm cho không gian tự nhiên kéo dãn theo một hướng và nén lại theo hướng khác, vì vậy hai “cánh” của bộ dò thực sự mọc và co lại một cách rất nhỏ. Điều này có nghĩa là mỗi tia sáng đi một khoảng cách khác nhau một chút, điều này xuất hiện trong mẫu ánh sáng laser được kết hợp lại như một đỉnh tần số được gọi là “chích chirp vũ trụ”—đây là tín hiệu sóng trọng lực. 

Để đo lường nó, Virgo phụ thuộc vào trang thiết bị hiện đại. Các gương ở cuối mỗi đường hầm được làm từ một loại thạch anh tổng hợp đến mức nó chỉ hấp thụ 1 trong 3 triệu photon đánh vào nó. Nó được mài mịn đến mức nguyên tử, để lại nó mịn đến mức không gian nhiễu sáng gần như không. Và nó được phủ một lớp mỏng chất liệu phản xạ để mất dưới 0.0001 phần trăm ánh sáng laser khi tiếp xúc. 

Mỗi chiếc gương treo dưới một siêu giảm nhấn để bảo vệ khỏi rung động địa chấn. Chúng bao gồm một chuỗi bộ lọc địa chấn hoạt động như con lắc, được đặt trong một buồng chân không bên trong một tháp cao 10 mét. Thiết lập này được thiết kế để đối phó với các chuyển động của Trái Đất, có thể mạnh đến chín hạng mục so với sóng trọng lực Virgo đang cố gắng phát hiện. Siêu giảm nhấn hiệu quả đến nỗi, ít nhất ở hướng ngang, các gương hoạt động như là chúng đang lơ lửng trong không gian.

Một đổi mới gần đây hơn là hệ thống “nén” của Virgo, chống lại các hiệu ứng của nguyên lý không chắc chắn của Heisenberg, một đặc điểm kỳ lạ của thế giới siêu hạt nói rằng một số cặp thuộc tính của một hạt lượng tử không thể cùng được đo đúng, vào cùng một thời điểm. Ví dụ, bạn không thể đo chính xác cả vị trí và động lượng của một photon. Càng chính xác bạn biết về vị trí của nó, ít bạn biết về động lượng và ngược lại.

Bên trong Virgo, nguyên lý không chắc chắn biểu hiện dưới dạng tiếng ồn lượng tử, làm mờ tín hiệu sóng trọng lực. Nhưng bằng cách đưa vào một trạng thái ánh sáng đặc biệt trong ống chạy song song với các ống chân không chính và sau đó trùng với trường laser chính tại bộ chia tia, các nhà nghiên cứu có thể “nén,” hoặc giảm, sự không chắc chắn trong các tính chất của ánh sáng laser, giảm tiếng ồn lượng tử và cải thiện khả năng nhạy của Virgo đối với tín hiệu sóng trọng lực.

Từ năm 2015, gần 100 sự kiện sóng trọng lực đã được ghi lại trong suốt ba chuỗi quan sát bởi Virgo và đối tác LIGO của Hoa Kỳ. Với việc nâng cấp cả hai cơ sở và KAGRA tham gia, chuỗi quan sát tiếp theo—bắt đầu vào tháng 3 năm 2023—hứa hẹn nhiều hơn nhiều. Các nhà nghiên cứu hy vọng có thể có được sự hiểu biết sâu sắc hơn về lỗ đen và ngôi sao neutron, và lượng sự kiện dự kiến đồng thời mang lại triển vọng hấp dẫn về việc xây dựng một bức tranh về sự tiến化 của vũ trụ thông qua sóng trọng lực. “Đây chỉ là sự bắt đầu của một cách mới để hiểu vũ trụ,” nói Losurdo. “Nhiều sẽ xảy ra trong vài năm tới.”

Bài viết này ban đầu được xuất bản trong số tháng 1/2 năm 2023 của tạp chí blog.mytour.vn UK.