Nóng bỏng sự kiện khoa học thế kỷ 21: "Sóng hấp dẫn" được tìm ra như thế nào

[therealrtz]

Thiên tài vật lý Albert Einstein cách đây 1 thế kỷ đã tiên đoán về sóng hấp dẫn. Giờ đây lời của ông đã thành sự thật. Các nhà khoa học đã tìm ra sóng hấp dẫn như thế nào?


Đài quan sát LIGO ở Livingston, bang Louisiana - Ảnh: Reuters

Hơn 1 tỷ năm trước đây, hai lỗ đen trong vũ trụ va chạm vào nhau. Chúng quay xung quanh nhau suốt hàng triệu năm trong một vũ điệu giao hoan không ngừng nghỉ, cứ mỗi lúc xích lại gần nhau hơn.

Khi chỉ còn các nhau vài trăm km, hai lỗ đen lao thẳng vào nhau với tốc độ gần ngang ánh sáng, giải phóng năng lượng hấp dẫn khổng lồ. Không gian và thời gian bị xoắn vặn và biến dạng như nước sôi sùng sục trong bình đun.

Và một lỗ đen mới được hình thành, có khối lượng lớn gấp 62 lần mặt trời của chúng ta. Sau đó, không gian và thời gian tại đây yên tĩnh trở lại.

Sóng hấp dẫn từ cú va chạm đó lan tỏa đi mọi hướng, càng di chuyển ra xa thì càng suy yếu đi. Trên trái đất, loài khủng long trỗi dậy, tiến hóa rồi tuyệt chủng. Những con sóng cứ tiếp tục lan tỏa.

Khoảng 50 nghìn năm trước, những con sóng hấp dẫn đó đi vào dải Ngân hà, khi loài người Homo sapiens bắt đầu thay thế người Neanderthal trên trái đất.

“Khỉ thật, cái gì thế?”

Tròn 100 năm trước, thiên tài vật lý Albert Einstein, một trong những thành viên vĩ đại nhất của loài Homo sapiens, tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn. Công trình của Einstein mở ra một thời kỳ nhiều thập kỷ tìm kiếm trong vô vọng. Khoảng 20 năm trước, Đài Quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) bắt đầu được xây dựng.

Và đến ngày 14-9-2015, sóng hấp dẫn từ vụ va chạm của hai lỗ đen lan truyền đến trái đất. Marco Drago, nghiên cứu sinh người Ý 32 tuổi, thành viên dự án LIGO Scientific Collaboration, là người đầu tiên để ý đến chúng. Khi đó, anh ngồi trước máy vi tính tại Viện Albert Einstein ở Hannover, Đức, nghiên cứu dữ liệu của LIGO.

Các sóng hấp dẫn xuất hiện trên màn hình vi tính như những dòng lượn sóng bị nén lại. Khi thấy tín hiệu đó, Drago choáng váng. “Rất khó để biết phải làm gì” - anh kể. Drago thông báo cho một đồng nghiệp và người này gọi điện đến phòng điều hành LIGO ở Livingston, Louisiana. Thông tin được gửi tới hàng nghìn nhà khoa học tham gia vào dự án LIGO.

Ở California, ông David Reitze, giám đốc Phòng thí nghiệm LIGO, đưa con gái đến trường học rồi tới văn phòng ở Viện Công nghệ California (Caltech) trước khi nhận được vô số tin nhắn. “Tôi chẳng nhớ mình đã nói gì nữa, hình như là khỉ thật, cái gì thế” - ông Reitze hồi tưởng.

Còn giáo sư vật lý thiên văn Vicky Kalogera thuộc ĐH Northwestern chỉ nghe tin vào bữa tối. “Chồng tôi nhờ tôi dọn bàn ăn, nhưng tôi phớt lờ ông ấy, chỉ chăm chú đọc thư điện tử và nghĩ chuyện gì đang xảy ra thế nhỉ” - bà Kalogera nói.

Nhà vật lý 83 tuổi Rainer Weiss, người đầu tiên đề xuất xây đài LIGO năm 1972 lúc đó đang nghỉ dưỡng ở Maine. Ông lên mạng, đọc thư và hét lên: “Ối trời ơi”. Đến mức mà vợ con ông tưởng ông gặp chuyện gì, vội vã chạy tới.

Công trình phân tích dữ liệu, kiểm tra đi, kiểm tra lại, kiểm tra thêm nhiều lần nữa… bắt đầu. Các nhà khoa học LIGO cam kết giữ bí mật thông tin. Khi có tin đồn về phát hiện sóng hấp dẫn, giới truyền thông nhao nhao lên. Nhưng các nhà khoa học LIGO không hề xác nhận sự thật mà chỉ cho biết họ đang phân tích dữ liệu và chẳng có gì để nói cả.

“Thợ săn sóng hấp dẫn” từng bị cho là hoang tưởng!

Người đầu tiên thử lắp một công cụ dò sóng hấp dẫn là Joe Weber, giáo sư ĐH Maryland (Mỹ). Tháng 6-1969, ông tuyên bố công cụ của ông bắt được sóng hấp dẫn. Giới truyền thông hào hứng đưa tin. Nhưng các phòng thí nghiệm khác không đo được kết quả giống như Weber. Năm 1974, cộng đồng khoa học quốc tế kết luận Weber đã sai lầm.

“Di sản” của Weber phủ một bóng đen lớn lên các nỗ lực tìm kiếm sóng hấp dẫn. Nhiều người nghĩ rằng các “thợ săn sóng hấp dẫn” chỉ là những kẻ dối trá hoặc hoang tưởng.

Sự tuyệt vọng càng gia tăng vào năm 2014 khi các nhà khoa học thuộc đài thiên văn BICEP 2 gần Nam Cực tuyên bố phát hiện thấy sóng hấp dẫn từ Vụ nổ lớn (Big Bang). Nhưng hóa ra các tín hiệu mà BICEP 2 thu được xuất phát từ bụi vũ trụ.

Nhà vật lý Weiss đặc biệt “cay cú” với những khó khăn trong việc giảng dạy nghiên cứu của giáo sư Weber ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), nên quyết định thiết kế máy dò sau này trở thành LIGO. “Tôi chẳng hiểu Weber làm gì. Tôi không nghĩ ông ấy làm đúng. Do đó tôi quyết định tự nghiên cứu” - giáo sư Weiss cho biết hồi năm 2000.

Những người theo đuổi giấc mơ

Chuyên gia Fred Raab, người đứng đầu cơ sở LIGO ở Hanford, mô tả trong cuộc săn lùng sóng hấp dẫn, “phần lớn các hành động diễn ra trong điện thoại”.

Các chuyên gia họp hàng tuần để thảo luận về dữ liệu, sự phối hợp giữa hai máy dò, trao đổi với đồng nghiệp ở Úc, Ấn Độ, Đức, Anh…. “Khi những người này nằm mơ lúc nửa đêm, họ mơ về máy dò LIGO” - ông Raab khẳng định.

Giáo sư Weiss viết về thiết kế LIGO của ông vào năm 1972. Bài viết này không xuất hiện trên bất cứ tạp chí khoa học nào, bởi đó mới chỉ là một ý tưởng. Tuy nhiên giáo sư Kip Thorne thuộc Caltech nhận định đó là một trong những bài viết khoa học “vĩ đại nhất”. Ở MIT, giáo sư Weiss bắt đầu lắp một mô hình máy dò.

Đến năm 1990, sau nhiều nghiên cứu, báo cáo, thuyết trình… các ông Weiss, Thorne và Dever thuyết phục được Tổ chức Khoa học quốc gia Mỹ (NSF) gánh kinh phí xây dựng LIGO. Dự án tốn khoảng 272 triệu USD. “Đó là một cuộc chiến dữ dội. Nhiều nhà thiên văn học phản đối dự án này vì cho rằng nó chỉ tốn tiền vô ích” - ông Weiss kể.

Những người phản đối cũng lo ngại dự án LIGO sẽ “cướp” nguồn ngân sách dành cho các nghiên cứu khác. Nhưng chuyên gia Rich Isaacson thuộc NSF đã quyết liệt bảo vệ dự án này. Năm 1994, công trình xây dựng Đài LIGO bắt đầu.

Đài LIGO bắt đầu hoạt động từ năm 2001. Năm 2010, các máy dò tạm dừng hoạt động để nâng cấp trong vòng gần năm năm với chi phí 200 triệu USD. Và LIGO tìm thấy sóng hấp dẫn. Ban đầu, tất cả mọi người đều ngạc nhiên và nghi ngờ.

“Lúc đầu tôi nói với mọi người rằng chúng ta chỉ có thể phát hiện được điều gì đó vào năm 2017 hoặc 2018” - ông Reitze kể.

Hồi năm 2010, các máy dò cũng bắt được tín hiệu mạnh và các nhà khoa học đã nghiên cứu dữ liệu suốt sáu tháng, nhưng cuối cùng xác định đó không phải là sóng hấp dẫn.

Lần này, các chuyên gia LIGO kiểm tra mọi yếu tố, từ phần mềm vi tính cho đến các nhiễu động môi trường. Cuối cùng, sau nhiều kiểm nghiệm cực khổ, họ xác định tín hiệu bắt được đúng là sóng hấp dẫn.

Không chỉ chứng minh sự tồn tại của sóng hấp dẫn như tiên đoán thiên tài của Einstein, LIGO còn xác nhận sự tồn tại của lỗ đen, vật thể bí ẩn nhất trong vũ trụ với lực hấp dẫn mạnh đến mức ánh sáng cũng không thể thoát ra.

Sau ánh sáng, sóng radio, hồng ngoại, tia cực tím, tia X, tia gramma… các nhà khoa học đã có thêm công cụ để không chỉ quan sát mà còn “lắng nghe” vũ trụ.

“Chúng ta đã mở ra cánh cửa mới quan sát vũ trụ, rất khác biệt so với các cửa sổ cũ. Chắn chắn chúng ta sẽ tìm thấy rất nhiều ngạc nhiên lớn” - giáo sư Thorne khẳng định.

Therealtz © VietBF