Lần đầu tiên phát hiện được sóng hấp dẫn 100 năm sau dự đoán của Einstein
Ngày 11/2/2016, các nhà khoa học đến từ Đài Quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) tuyên bố lần đầu tiên phát hiện được sóng hấp dẫn. Đây là bước ngoặt quan trọng trong lịch sử khoa học, không những khẳng định lý thuyết tương đối rộng của Einstein mà còn mở ra chân trời mới trong việc nghiên cứu vũ trụ.
Để hiểu rõ hơn về phát hiện quan trọng này, trước tiên hãy cùng nhau tìm hiểu về bản chất của lực hấp dẫn. Như Einstein đã từng nói: "Trí tưởng tượng quan trọng hơn kiến thức", hãy cùng nhau làm 1 thí nghiệm tưởng tượng (thought experiment) như sau nhé [IMG]images/smilies/3.gif[/IMG]
"Giả sử Mặt Trời đột nhiên biến mất, hỏi sau bao lâu thì chúng ta cảm nhận được điều đó trên Trái Đất?"
Ánh sáng từ Mặt Trời truyền đến Trái Đất mất hơn 8 phút với vận tốc c ≈ 300 000km/s. Vì vậy phải hơn 8 phút sau, ta mới nhìn thấy Mặt Trời biến mất. Ngoài ra, khi không còn chịu tác dụng của lực hấp dẫn từ Mặt Trời, quỹ đạo của Trái Đất cũng sẽ thay đổi và ta hoàn toàn có thể phát hiện ra điều này.
Vậy nếu lực hấp dẫn tác dụng lên Trái Đất tức thời biến mất, ta sẽ tức thời biết được sự biến mất của Mặt Trời, trong khi phải 8 phút sau ta mới nhìn thấy điều đó. Điều này mâu thuẫn với lý thuyết tương đối hẹp mà Einstein đã xây dựng trước đó: không thể truyền thông tin nhanh hơn vận tốc ánh sáng [IMG]images/smilies/102.gif[/IMG]
Và thế là Einstein đã xây dựng thêm Lý thuyết Tương đối Rộng (1915) để giải quyết nghịch lý này:
Theo thuyết tương đối rộng, bản chất của lực hấp dẫn chính là sự uốn cong của không thời gian. Một vật thể có khối lượng như Mặt Trời sẽ uốn cong không thời gian xung quanh nó. Các vật thể rơi tự do như Trái Đất sẽ chuyển động trên các "đường thẳng", hay chính xác hơn là các đường trắc địa (geodesics) trong không thời gian cong này.
Einstein tiên đoán sự biến dạng này của không thời gian cũng có thể lan truyền như sóng nước. Đó chính là sóng hấp dẫn. Theo lý thuyết tương đối rộng, sóng hấp dẫn lan truyền với vận tốc ánh sáng c. Vì vậy phải hơn 8 phút sau khi Mặt Trời biến mất, quỹ đạo của Trái Đất mới thay đổi. Nghịch lý đã được giải quyết [IMG]images/smilies/113.gif[/IMG]
Về mặt lý thuyết, ta có thể "thấy" được sóng hấp dẫn thông qua sự biến dạng của không thời gian. Tuy nhiên ngay cả với những nguồn phát mạnh trong vũ trụ, trên Trái Đất sự biến dạng do sóng hấp dẫn gây ra là vô cùng nhỏ, vào cỡ < 10^−20. Nếu Tôn Ngộ Không cho mượn cây gậy như ý dài 100km, sóng hấp dẫn sẽ làm cho cây gậy này co dãn 1 đoạn bằng kích thước của 1 proton. Làm thế nào để đo được chiều dài nhỏ như vậy? Đây chính là rào cản lớn nhất trong công cuộc tìm kiếm sóng hấp dẫn.
Để giải quyết bài toán này, các nhà khoa học đã xây dựng hệ thống Đài Quan sát Giao thoa kế Laser LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). Về cơ bản, đây là hệ giao thoa kế Michelson. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống này như sau:
<object type="application/x-shockwave-flash" width="640" height="385" data="http://www.youtube.com/v/tQ_teIUb3tE">
<param name="movie" value="http://www.youtube.com/v/tQ_teIUb3tE">
<param name="wmode" value="transparent">
</object>
Nguồn laser chiếu tới 1 gương bán mạ (beam splitter) đặt nghiêng 45° và tách thành 2 tia giống nhau. Tia 1 đi xuyên qua gương bán mạ, tia 2 phản xạ và bẻ góc 90°. 2 tia này đi tới 2 gương phẳng ở cuối mỗi nhánh rồi phản xạ ngược trở lại gương bán mạ.
Tại đây, các tia này tiếp tục được tách thành 2 phần, trong đó 1 phần tia 1 phản xạ và bẻ góc 90° tới máy thu, 1 phần tia 2 đi xuyên qua gương bán mạ tới máy thu. Khi đó, sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa giữa 2 tia này.
Đối với hệ thống LIGO, nếu quãng đường đi được của 2 tia là như nhau (hay chiều dài 2 nhánh là như nhau) thì 2 tia sáng sẽ triệt tiêu lẫn nhau và không có tín hiệu tới máy thu. Trong trường hợp chiều dài 2 nhánh có sự chênh lệch dù rất nhỏ, tín hiệu thu được sẽ có sự thay đổi tương ứng. Sóng hấp dẫn làm biến dạng không thời gian và do đó, làm thay đổi chiều dài 2 nhánh. Nếu đo được sự thay đổi này, ta có thể tìm ra sóng hấp dẫn.
Chiều dài mỗi nhánh của LIGO là 4 km. Tuy nhiên, nhờ sử dụng hệ thống gương phản xạ (buồng cộng hưởng Fabry - Pérot), quãng đường di chuyển của tia laser được nâng lên 1600 km! Để phân lập tín hiệu sóng hấp dẫn, các nhà khoa học xây dựng 2 trạm LIGO Livingston và Hanford cách nhau 3,002 km (tương ứng với quãng đường ánh sáng đi được trong 10 ms) cùng với hệ thống khử rung động từ môi trường để loại trừ nhiễu cục bộ.
LIGO Livingston - Louisiana
LIGO Hanford - Washinton
Vào lúc 09:50:45 UTC ngày 14/9/2015, 2 trạm LIGO lần lượt quan sát được tín hiệu GW150914 cách nhau 6.9(+0.5/-0.4) ms. Tín hiệu thu được tương ứng với sóng hấp dẫn phát ra từ quá trình quay quanh nhau và sáp nhập của 2 hố đen theo lý thuyết tương đối rộng. Các giá trị tính toán được như sau:
Khối lượng của 2 hố đen này lần lượt là 36(+5/-4) và 29(+4/-4) M☉.
Khối lượng của hố đen mới sau khi sáp nhập là 62(+4/-4) M☉, trong đó M☉ là khối lượng Mặt Trời ≈ 1.99× 10^30 kg
Khoảng cách đo được dựa trên độ trưng là 410(+180/-160) Mpc, trong đó 1 Mpc ≈ 3.09× 10^19 km
Tín hiệu GW150914 quan sát được bởi LIGO Hanford (H1) và Livingston (L1)
Quá trình sáp nhập hố đen theo tính toán
So sánh tín hiệu thu được và lý thuyết của Einstein
Tín hiệu sóng hấp dẫn phát dưới dạng sóng âm thanh. 2 lần đầu âm thanh được phát ở tần số sóng hấp dẫn. 2 lần sau âm thanh được đẩy lên tần số cao hơn để phù hợp hơn với ngưỡng nghe của con người. 2 lần cuối âm thanh được phát lại ở tần số gốc.
<object type="application/x-shockwave-flash" width="640" height="385" data="http://www.youtube.com/v/QyDcTbR-kEA">
<param name="movie" value="http://www.youtube.com/v/QyDcTbR-kEA">
<param name="wmode" value="transparent">
</object>
Vị trí nguồn phát sóng hấp dẫn. Đường màu tím thể hiện mức tin cậy 90%. Đường màu vàng thể hiện mức tin cậy 10%
Clip mô phỏng quá trình sáp nhập 2 hố đen:
<object type="application/x-shockwave-flash" width="640" height="385" data="http://www.youtube.com/v/I_88S8DWbcU">
<param name="movie" value="http://www.youtube.com/v/I_88S8DWbcU">
<param name="wmode" value="transparent">
</object>
<object type="application/x-shockwave-flash" width="640" height="385" data="http://www.youtube.com/v/y0orOwQgcCM">
<param name="movie" value="http://www.youtube.com/v/y0orOwQgcCM">
<param name="wmode" value="transparent">
</object>
<object type="application/x-shockwave-flash" width="640" height="385" data="http://www.youtube.com/v/1agm33iEAuo">
<param name="movie" value="http://www.youtube.com/v/1agm33iEAuo">
<param name="wmode" value="transparent">
</object>
Tham khảo link bài báo gốc:
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration), “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger,” Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).
http://journals.aps.org/prl/abstract...ett.116.061102
Nguyễn Tùng Lâm
Hội Thiên văn Nghiệp dư Hà Nội HAS
View more random threads:
Mẫu cuốn thư bằng đá đẹp cho nhà thờ họ, khu lăng mộ, đình chùa giá rẻ Cuốn thư bằng đá hay còn gọi là bình phong đá được sử dụng trong rất nhiều các công trình kiến trúc như: đền, chùa, đình làng,...
Mẫu cuốn thư bằng đá đẹp chất...