Lắng nghe bản giao hưởng vũ trụ 

Đường ống bêtông bảo vệ ống chân không dài 4km ở tay x của đài thiên văn LIGO Hanford. Đi theo hướng này khoảng 10km sẽ tới địa điểm phát triển và thử vũ khí nguyên tử trong thời kỳ chiến tranh lạnh. -Ảnh: Cao Huy Tường

Năm 1916, Albert Einstein đã tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn, một hệ quả của thuyết tương đối rộng của ông. Theo đó, không gian và thời gian là các mặt của một thực tế đơn nhất đo lường được: không - thời gian.

Có thể nghĩ về không - thời gian như một tấm vải khổng lồ. Sự hiện diện của các khối vật chất lớn như các hành tinh hay ngôi sao sẽ làm biến dạng tấm vải.

Khi những khối vật chất lớn đột ngột di chuyển, chúng tạo ra sự bóp méo không gian trong không - thời gian như những làn sóng, tỏa ra như các đợt sóng lan trên một mặt hồ bị ném sỏi.

Khi các đợt sóng này di chuyển qua vũ trụ, chúng kéo căng và bóp méo không - thời gian như sóng âm kéo căng và bóp méo sự phân bổ các phân tử không khí, mang theo thông tin về nguồn gốc của chúng, chờ đợi được con người tìm thấy.

Thật không may, thường vào lúc những sóng này tới được Trái đất, sự bóp méo mà chúng tạo ra đã trở nên quá nhỏ, không thể phát hiện. Phải cần tới một thiết bị đủ sức đo được một nửa bán kính của một proton để phát hiện sóng hấp dẫn. Điều này khiến chính bản thân Einstein cũng ngờ vực khả năng con người sẽ xác định được hiện tượng đấy.

Đã có vô số nỗ lực đo những tín hiệu thiên văn này từ những năm 1960. Giải Nobel vật lý năm nay được trao cho những người đã đóng góp lớn nhất trên hành trình đó.

Rainer Weiss - từng bỏ học đại học rồi được trao một cơ hội thứ hai ở MIT, trước khi trở thành nhà vật lý học được ngưỡng mộ trong lĩnh vực bức xạ phông vi sóng (hay bức xạ nền vũ trụ) - chế tạo ra một thiết bị đo sóng hấp dẫn sử dụng ánh sáng laser để đo những thay đổi nhỏ nhất trong bước sóng, được cải biến dần để trở thành LIGO ngày nay.

Kip Thorne, giáo sư vật lý lý thuyết ở Caltech, tạo lập một nhóm nghiên cứu lý thuyết sóng hấp dẫn ở Caltech vào năm 1968 và một nhóm thực nghiệm khác vào cuối những năm 1970 cùng với Ronald Drever, người vốn quê Glasgow.

Bộ ba Rainer Weiss, Kip Thorne và Ronald Drever là những người được ca tụng là cha đẻ của lĩnh vực này. Thật không may, Drever vừa qua đời trong năm nay.

Barry Barish là người đã cứu dự án khỏi bi kịch bị rút tài trợ. Được bổ nhiệm làm giám đốc dự án LIGO năm 1994, ông tổ chức lại dự án và thành lập Chương trình hợp tác khoa học LIGO, tập hợp hàng nghìn nhà khoa học từ hàng trăm viện ở Mỹ và trên toàn cầu, những người có chuyên môn trong nhiều lĩnh vực từ khoa học vật liệu, quang học lượng tử, phân tích dữ liệu tới vật lý thiên văn.

Từ trái sang: Weiss, Barish và Thorne - Ảnh: Reuters

Thách thức mỗi ngày

Có cảm giác như cả vũ trụ chống lại thiết bị phát hiện sóng hấp dẫn. Nhiễu âm thanh mặt đất là một vấn đề nghiêm trọng do chuyển động nhỏ bé nhất cũng có thể khiến những tấm gương LIGO dịch chuyển hàng micromet (10-6m).

Bởi thế, tất cả các tấm gương đều được treo lên một sợi thủy tinh mỏng. Sợi thủy tinh này tạo ra một hệ thống con lắc làm giảm mạnh âm thanh nhiễu tần số cao do mặt đất lay động gây ra. Dẫu vậy, toàn bộ thiết bị vẫn bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi xảy ra động đất.

Ngồi ở khu vực đặt LIGO, ta có thể quan sát được các tác động của những trận động đất trên toàn thế giới, từ Nepal tới Tahiti. Phụ thuộc vào cường độ hay địa điểm, các trận động đất có thể để lại hậu quả nghiêm trọng với sự nhạy cảm của thiết bị đo.

Giống như bất kỳ vật thể nào, gương và sợi thủy tinh có tần số tự nhiên của chúng. Sóng địa chất từ động đất có thể khiến các thiết bị này rung lên nhiều tuần liền, điều khiến các thiết bị trở nên vô dụng và đòi hỏi nỗ lực từ rất nhiều nhà khoa học và kỹ sư để thiết bị đo chính xác trở lại. Động đất không phải là vấn đề duy nhất.

Mỗi ngày đi làm ở các đài thiên văn, ta có thể nhận ra tiếng ồn do bước chân người gây ra vào buổi sáng khi mọi người đi làm ở thành phố gần bên. Mỗi chiếc xe hơi, xe tải ở đường cao tốc cách đó 10km cũng có thể gây nhiễu, tất cả đều đòi hỏi nhiều năm nghiên cứu để hiểu đặc điểm sóng âm của chúng nhằm loại bỏ nhiễu.

Tác giả trong phòng làm việc tại đài thiên văn LIGO Hanford

Ngoài chuyển động mặt đất, những biến động nhỏ bé của nhiệt độ xung quanh cũng gây nhiễu với thiết bị. Sự di chuyển của không khí lên xuống trong bầu khí quyển tạo ra nhiễu tín hiệu.

Photon trong sóng laser làm các tấm gương dịch chuyển, dù chỉ tính bằng nanomet (10-9m), cũng gây nhiễu, mất vài tuần và vài tháng nghiên cứu mới có thể ghi nhận hết.

Tất cả những điều đó khiến cuộc sống thường nhật của một nhà khoa học tại đài thiên văn LIGO không khác gì một tay thám tử tư. Những nguồn âm thanh gây nhiễu xuất hiện chỗ này chỗ kia, lúc này lúc khác, đôi khi quen thuộc, những khi khác lạ lùng.

Số luận văn tiến sĩ để hiểu hết các nguồn gây nhiễu trải qua năm tháng đã là vô tận. Những câu chuyện về chiếc tủ lạnh ở đài thiên văn gây ra nhiễu tiếng ồn, hay lũ quạ mổ vào một ống kim loại bên ngoài khu đài thiên văn tạo ra các tiếng ồn lạ lùng mà LIGO ghi nhận được đã trở thành huyền thoại.

Nhưng nhờ vào tất cả những vấn đề đó, LIGO đã giúp thúc đẩy biên giới của khoa học trong rất nhiều lĩnh vực. Nhờ LIGO, giờ chúng ta có thể sở hữu một thiết bị đo được sự thay đổi tính bằng nanomet trong dao động nhiệt độ. Nhờ LIGO, giờ chúng ta tiên đoán được động đất sớm hơn 30 giây so với công nghệ cũ, ngắn ngủi, nhưng vẫn đủ để cứu biết bao mạng sống.

Tương lai rộng mở

Tất cả những nỗ lực đó cuối cùng đơm hoa kết trái vào tối 14-9-2015 trong lần chạy đầu tiên của thiết bị LIGO cải tiến (Advanced LIGO). Sóng hấp dẫn từ hai lỗ đen lớn cuối cùng đã tới Trái đất sau 1,4 tỉ năm du hành, đánh động các LIGO ở Hanford, Washington và Livingston, Louisiana.

Trong 5 tháng trời, hàng trăm nhà khoa học đã tìm hiểu tín hiệu đó để xác quyết rằng nó đúng, thực hiện các phân tích thống kê, tính toán khả năng một sự kiện lớn như thế xảy ra.

Tháng đầu tiên đầy háo hức và lo lắng. Hàng nghìn dữ liệu cần được kiểm tra để đảm bảo đó không phải là tín hiệu giả. Mọi người ở LIGO đều phải trải qua một quy trình kiểm tra tính xác thực, không chỉ thử nghiệm độ tin cậy của thiết bị, mà của cả nhà khoa học, trong quá trình tìm hiểu kết quả.

Một ủy ban bí mật do dự án LIGO bầu ra, nhân thân được giấu kín, sẽ quyết định thời điểm gửi đi một tín hiệu giả bắt chước tín hiệu sóng hấp dẫn tới thiết bị đo trong quá trình đó. Mọi nỗ lực để xác quyết rằng chúng ta không tự lừa dối mình.

Chỉ sau nhiều tháng trời “thanh tra, kiểm tra” lao khổ, các nhà khoa học cuối cùng mới có thể thở phào vào tháng 2-2016, khi thành công được công bố cho toàn thế giới. Lần đầu tiên trong lịch sử nhân loại, chúng ta nghe được âm thanh của không - thời gian.

Lần đầu tiên, chúng ta nghe được âm thanh của vũ trụ. Và một lần nữa, chúng ta chứng minh được thiên tài của Einstein và thuyết tương đối rộng, trả lời được một câu hỏi đã tồn tại 100 năm.

Tuyên bố hấp dẫn nhất và gần đây nhất về sóng hấp dẫn được tất cả các thiết bị LIGO của Mỹ và thiết bị tương ứng ở châu Âu (Virgo) đo được là hôm 27-9. Ngày 14-8-2017, bắt được một tín hiệu ở LIGO-Livingston. 8 mili giây (10-3 giây) sau đó, LIGO-Hanford báo hỉ và 6 mili giây sau nữa, tới lượt Virgo.

Phân tích thống kê nói lần này con cá bắt được là chắc chắn, bởi khả năng cả ba thiết bị “báo động giả” là một lần trong 27.000 năm.

Tín hiệu hóa ra tới từ việc hợp nhất các lỗ đen có kích cỡ tương ứng 30 và 25 khối lượng Mặt trời (tức solar mass, ký hiệu là M, bằng khoảng 332.946 khối lượng Trái đất), ở khoảng cách từ 1,4 tới 2,2 tỉ năm ánh sáng cách chúng ta.

Kết hợp ba thiết bị đo này giúp việc định vị nguồn sóng hấp dẫn được cải thiện sâu sắc, giảm ước đoán về vùng phát ra sóng còn một khoảng không gian tương đương 60 độ bình phương (square degree), vẫn là một diện tích lớn, khoảng gấp đôi diện tích Việt Nam.

Tuy nhiên, ước đoán đó đã tốt hơn 10 lần so với các đo đạc trước kia. Việc định vị sẽ còn tốt hơn nữa trong những năm tới, khi chúng ta có thêm một LIGO thứ tư ở Nhật Bản (Kagra). Ý tưởng cơ bản về Kagra không khác, nhưng một số công nghệ mới sẽ được áp dụng. Không như Vigro, vốn đặt trên mặt đất, Kagra được đặt trong một ngọn núi để tối thiểu hóa nhiễu từ bên ngoài.

Tất cả các gương Kagra cũng được làm bằng đá sapphire và giữ lạnh ở mức nhiệt độ siêu hàn (thấp hơn -1500C) để giảm thiểu tiếng ồn do biến động nhiệt. Kagra dự kiến tham gia các nỗ lực đo đạc vào năm 2020.

Một thiết bị khác sẽ sớm được chế tạo là Indigo, một đài thiên văn ở Ấn Độ. Bước tiếp theo nữa, máy đo sẽ được mang từ mặt đất lên vũ trụ, trong sứ mệnh LISA, đang trong quá trình nghiên cứu và triển khai nước rút bởi Cơ quan Hàng không vũ trụ châu Âu (ESA). Tóm lại, đó là một nỗ lực toàn cầu.

“Phần thưởng năm nay dành cho phát hiện đã làm lay động thế giới” - Goran Hanssen, tổng thư ký Ủy ban Nobel Thụy Điển, nói trong tuyên bố trao giải. Sự lay động đó không chỉ là thành tựu tức thời, mà còn bởi những hứa hẹn mà LIGO mang tới cho vật lý học trong tương lai, cho tri thức của con người về vũ trụ bao la mà chúng ta là một phần trong đó.

Tới giờ, chúng ta đã tự mình lần mò trong vũ trụ mà không nghe thấy gì, trong khi giống như âm thanh, sóng hấp dẫn mang ít nhất một nửa thông tin về vật thể mà từ đó nó phát ra. Với việc Virgo hoạt động đầy đủ và gia nhập mạng lưới các máy đo, rốt cuộc chúng ta có thể biết được vũ trụ đang nói gì.

Chúng ta sẽ có thể tìm hiểu những điều chúng ta chưa hề biết trước kia về cấu trúc của lỗ đen, các sao neutron tới những quá trình vật lý diễn ra ở những điều kiện cực đoan. Chúng ta đã có thể thừa nhận hay bác bỏ rất nhiều giả thuyết mà ta từng bỏ không biết bao nhiêu thời gian và công sức để tìm hiểu.

Và quan trọng hơn hết, chúng ta nay có thể tận hưởng sự háo hức, như một đứa trẻ nhìn lên bầu trời đầy sao mỗi tối đặt câu hỏi không hiểu ở trên kia có gì, chờ đợi những điều mới mẻ mà vật lý đem lại để tiếp tục học hỏi, bóc gỡ món quà bí ẩn của vũ trụ.

Là một sinh viên làm việc cho Dự án hợp tác khoa học LIGO, tôi hết sức vui mừng trước tin tức giải Nobel được trao cho Rainer, Kip và Barry. Không lời lẽ nào tả hết được những đóng góp của họ trong lĩnh vực này.

Những câu chuyện và thành công của họ tiếp tục là cảm hứng cho nhiều thế hệ sinh viên vật lý học tiếp theo, giúp chúng tôi đối mặt với những nhiệm vụ thách thức nhất, để thức tới 2h sáng trong phòng thí nghiệm, để tiếp tục tò mò và đam mê... tất cả để cùng được hòa chung trong bản giao hưởng của vũ trụ.■

HẢI MINH (chuyển ngữ)