Một thế kỷ sau dự đoán của Einstein, các nhà khoa học nghe thấy âm thanh hai lỗ đen va chạm nhau và không còn nghi ngờ gì về tính xác thực của sóng hấp dẫn quan trọng nhưng bí ẩn.
1,3 tỷ năm trước, một lỗ đen có khối lượng bằng 39 mặt trời đã gặp một lỗ đen có khối lượng bằng 26 mặt trời. Cuộc gặp gỡ đầy kịch tính đó đã kết thúc ở một lỗ đen “chỉ có” 65 mặt trời. Ba sóng còn lại được chuyển đổi thành sóng hấp dẫn có thể đo được trong phần giây cuối cùng của quá trình hợp nhất. Họ đã đi du lịch 1,3 tỷ năm xuyên suốt không-thời gian liên tục để cuối cùng được đo bằng máy dò LIGO. Những máy dò đó chỉ nhận được bản nâng cấp giúp tăng độ chính xác, sau đó sóng được quan sát thấy vào ngày 14 tháng 9 năm ngoái. Phát hiện này đến nay mới được công bố vì các nhà khoa học muốn loại trừ những sai sót. Điều này đã được thực hiện trong một tuyên bố chung của LIGO Hoa Kỳ và Xử Nữ Châu Âu.
Tầm quan trọng của khám phá này không thể được đánh giá quá cao. Sóng hấp dẫn mang thông tin về nguồn gốc và bản chất của lực hấp dẫn, lực tự nhiên dễ nhận thấy nhất nhưng ít được hiểu rõ nhất trong vũ trụ. Cần hiểu rõ hơn về lực hấp dẫn để trả lời các câu hỏi cơ bản về mọi thứ xung quanh chúng ta, từ nguồn gốc của nó đến tình hình hiện tại cho đến mọi thứ sẽ kết thúc như thế nào. Khám phá này tạo ra một lĩnh vực nghiên cứu mới có thể tập trung vào những câu hỏi này. Rốt cuộc, hiện tại chúng ta ‘nhìn’ vũ trụ bằng kính thiên văn quan sát bức xạ điện từ, nhưng phần lớn những gì xung quanh chúng ta không phát ra bức xạ như vậy và do đó cho đến ngày nay vẫn chưa thể nhìn thấy được.
Sự nhiễu loạn trong không-thời gian
Các máy dò giống như hai chiếc tai cực kỳ nhạy cảm, được đặt ở hai phía đối diện của nước Mỹ. Một cơ sở lắp đặt ở Livingston, cơ sở còn lại ở Hanford. Mỗi máy dò bao gồm hai đường hầm, mỗi đường dài bốn km. Tia laser chiếu qua các đường hầm này và phản chiếu gương. Cảm biến rất nhạy đo khoảng cách giữa nguồn và gương. Sóng hấp dẫn phá vỡ sự liên tục của không-thời gian, khiến khoảng cách bốn km thay đổi một chút khi đi qua.
Einstein đã dự đoán sóng hấp dẫn từ năm 1915 như một phần của thuyết tương đối của ông, nhưng cho đến nay chúng chỉ thuần túy là lý thuyết. Không phải vì chúng không được tìm kiếm: máy dò LIGO hoạt động với những 1,000 người và công cụ đó chỉ là một công cụ để tìm kiếm sóng. Châu Âu cũng đang tìm kiếm khó khăn, bao gồm cả máy dò VIRGO và dự án LISA.
Sóng trong nước
Sóng hấp dẫn rất thiển cận giống như những gợn sóng hình thành khi bạn ném một hòn đá xuống nước. Ít đơn giản hóa hơn một chút, chúng là sự biến dạng trong tính liên tục của không-thời gian. Sự tương tục đó giống như một mặt phẳng, có thể so sánh với một mảnh vải bị căng ra. Trong video dưới đây, nhà khoa học Paul McNamera của ESA giải thích rất trực quan và rõ ràng sóng chính xác là gì và chúng tác động như thế nào đến tính liên tục.
Một khối lượng nặng như lỗ đen hoặc một ngôi sao đè lên tấm vải và làm nó biến dạng. Các khối lượng khác, chẳng hạn như các hành tinh, bị ảnh hưởng bởi sự biến dạng đó và quay quanh thiên thể nặng hơn. Vật có khối lượng càng lớn thì độ biến dạng của vải càng lớn.
Ví dụ, khi hai lỗ đen đến gần nhau, chúng sẽ ảnh hưởng lẫn nhau. Một lỗ đen không chỉ quay quanh lỗ đen khác mà còn chuyển động xung quanh nhau. Các khối lượng dao động và tính liên tục không-thời gian cũng dao động theo nó. Chúng càng đến gần nhau thì hiệu quả càng lớn. Các sóng được tạo ra trong sự liên tục lan ra ngoài, lan truyền trở lại tương tự như các gợn sóng được tạo ra sau hòn đá trong vũng nước. Giống như những sóng nước đó làm biến dạng bề mặt nước, sóng hấp dẫn làm biến dạng tính liên tục của không-thời gian.
Khoảng cách thay đổi
Máy dò LIGO đủ nhạy để đo được một sự thay đổi nhỏ trong tính liên tục. Rốt cuộc, khoảng cách giữa hai điểm sẽ thay đổi trong giây lát do sóng. Sự thay đổi này không hề lớn lắm, khiến cho các máy dò nhạy cảm với những thay đổi nhỏ hơn một phần mười nghìn đường kính của một proton. Sự thay đổi như vậy hiện đã được quan sát thấy và nó trông giống hệt như các nhà khoa học đã dự đoán vào thời điểm đó.
LIGO bao gồm hai máy dò cách xa nhau là có lý do. Điều đó một mặt phải được thực hiện để chắc chắn rằng những nhiễu loạn quan sát được là sóng hấp dẫn. Các hiện tượng thiên văn khác có thể gây ra những phát hiện sai, nhưng nếu cả hai cơ sở ở hai phía đối diện của Hoa Kỳ đều quan sát thấy điều tương tự thì không còn nghi ngờ gì nữa.
Mặt khác, hai máy dò cung cấp rất nhiều thông tin bổ sung. Người phát ngôn của LIGO Gabby Gonzalez so sánh sự sắp đặt với hai tai và sóng hấp dẫn với sóng âm thanh. Do hai tai công nghệ cao cách nhau một khoảng nên có thể xác định được sóng đến từ đâu.
Ví dụ, các nhà nghiên cứu biết rằng sóng hấp dẫn được phát hiện có nguồn gốc từ bầu trời phía nam. Họ cũng biết loại thiên thể nào chịu trách nhiệm: hai lỗ đen có khối lượng lần lượt bằng 39 và 26 mặt trời. Họ cũng có thể nhìn thấy từ các sóng khối lượng (thông qua E=MC²) đã được chuyển đổi thành năng lượng bao nhiêu trong quá trình va chạm của các lỗ đen: bằng khoảng ba mặt trời. Năng lượng đó có dạng sóng được phát hiện.
Khám phá bằng âm thanh
Ngoài ra, các sóng dường như có tần số có thể được chuyển đổi hoàn hảo thành âm thanh có thể nghe được. Bản thân sóng ngắn đến mức chúng ta chỉ nghe thấy tiếng click, nhưng trong cuộc họp báo, Gonzalez đã phát một phiên bản chậm lại. Sóng hấp dẫn nghe giống như một tiếng kêu ngắn. Thông tin thính giác là sự chuyển đổi trực tiếp của làn sóng hiện có, vì vậy bạn có thể nói theo nghĩa đen rằng LIGO, cũng như các dự án khác trong tương lai, sẽ lắng nghe những nhiễu loạn trong tính liên tục không-thời gian.
Bây giờ các sóng đã được chứng minh là tồn tại và các máy dò hoạt động, nhiều sóng khác sẽ xuất hiện. Nhiều tai sẽ cung cấp cho các nhà khoa học nhiều thông tin chính xác hơn về nguồn gốc của sóng, nguồn gốc của chúng và cuối cùng là cách các lực trong vũ trụ hoạt động.
