Giai điệu của sóng hấp dẫn
Một nhóm các nhà khoa học và kỉ sư tại Phòng thí nghiệm đẩy phản lực của NASA đã tiến thêm một bước nữa gần hơn với việc "nghe" được sóng hấp dẫn. Những gợn sóng của không-thời gian này được tiên đoán bởi Albert Einstein vào đầu thế kỉ 20.
Các nhà nghiên cứu đang tiến hành kiểm tra một hệ thống la-de có tên gọi antenna giao thoa không gian dùng la-de (LISA-laser interferometer space antenna), sẽ được gắn trên các phi thuyền không gian thực hiện nhiệm vụ dò tìm các tín hiệu yếu ớt của sóng hấp dẫn. Thí nghiệm được tiến hành ở phòng thí nghiệm JPL ở Pasadena, Calif. Đây là một nhiệm vụ không dễ dàng và còn rất nhiều thử thách đang chờ đón phía trước.
Các thí nghiệm mới ở JPL chạm được cột mốc đầy ý nghĩa, khi lần đầu tiên các tiếng ồn hay những thăng giáng ngẫu nhiên trong chùm la-de LISA được làm nhỏ lại đủ để phân biệt được những âm điệu ngọt ngào của loại sóng hay lẫn tránh này.
"Để dò được sóng hấp dẫn, chúng ta phải tạo ra các phép đo có độ chính xác cực cao," như nhà vật lý Bill Klipstein tại JPL cho biết. "Các chùm la-de có thể ồn hơn cả những tín hiệu cần đo, vì vậy chúng tôi phải gỡ bỏ những nhiễu này một cách cẩn thận để có 'tín hiệu sạch'; nó giống như việc nghe thấy cái lông chim đang rơi giữa một trận mưa lớn." Klipstein là đồng tác giả bài báo vừa cho đăng trên Physical Review Letters về thí nghiệm này.
Một trong những mục đích căn bản của LISA là dò tìm trực tiếp các sóng hấp dẫn. Các nghiên cứu về sóng vũ trụ bắt đầu thu được kết quả vài thập kỉ trước, khi năm 1974 các nhà nghiên cứu phát hiện ra một cặp sao đôi đã chết (pulsar) đang quay quanh nhau theo quỹ đạo xoắn ốc và tiến lại gần nhau hơn, nhờ vào sự mất mát năng lượng không giải thích được. Phần năng lượng đó được chỉ ra sau này là một dạng sóng hấp dẫn. Đó là bằng chứng không trực tiếp đầu tiên về sóng hấp dẫn, nó cũng mang về một giải Nobel vật lý vào năm 1993.
LISA không những được mong chờ sẽ "nghe" được sóng, mà còn mang lại thông tin về nguồn phát ra nó-là những vật nặng như lỗ đen hay các sao đã chết, cất lên giai điệu vũ trụ khi chuyển động gia tốc trong không-thời gian. Nhiệm vụ này cũng có thể dò tìm sóng hấp dẫn do các vật nặng trong Dải Ngân hà cũng như từ các thiên hà ở xa, cho phép các nhà khoa học thâm nhập vào một ngôn ngữ hoàn toàn mới của vũ trụ.
Nhiệm vụ này dự kiến sẽ do ba tàu không gian riêng biệt đảm nhận, được sắp xếp ở cảc đỉnh của một tam giác khổng lồ trên không gian và liên lạc với nhau bằng tia la-de. Các tàu không gian này sẽ tham gia vào hệ mặt trời ở khoảng cách 20 độ so với trái đất. Mỗi phi thuyền sẽ mang một khối platinum và vàng được thả nổi tự do trong không gian. Khi sóng hấp dẫn truyền qua phi thuyền, chúng sẽ khiến cho khoảng cách giữa các khối này thay đổi một lượng nhỏ khó nhận ra, nhưng đủ để các thiết bị cực nhạy của LISA dò thấy nhờ vào các chùm la-de liên kết.
"Sóng hấp dẫn sẽ làm cho các "nút bần" dao động, nhưng chỉ là một lượng rất nhỏ," Glenn de Vine, đồng tác giả của bài báo mới đây ở JPL cho biết. "Bạn tôi từng nói rằng, nó nhẹ như một quả bóng nhỏ cao su nảy trong bồn tắm."
Đội ngủ JPL đã dành sáu năm để làm công tác kỉ thuật cho LISA, bao gồm thiết bị có tên gọi máy đo pha, dùng để tinh chỉnh các máy dò la-de. Một trong những vấn đề chính của hệ thống này cũng vừa hoàn tất, giảm tiếng ồn la-de được dò bởi các máy đo pha hàng tỉ lần, đủ để dò thấy tín hiệu sóng hấp dẫn.
Glenn de Vine and Brent Ware tại JPL thực hiện thí nghiệm la-de LISA. (Ảnh: NASA/JPL-Caltech)
Việc này cũng giống như việc dò tìm một proton trong đống cỏ khô. Sóng hấp dẫn sẽ làm khoảng cách giữa các phi thuyền cách nhau 5 triệu km thay đổi khoảng một pi-co mét, nghĩa là 100 triệu lần nhỏ hơn bề dày của sợi tóc.
Điểm cốt yếu của kỉ thuật la-de LISA là hiện tượng giao thoa. Sự giao thoa phụ thuộc vào quãng đường truyền của các chùm sáng la-de (quang lộ-ND) cũng là khoảng cách giữa các tàu không gian, có thể thay đổi do sóng hấp dẫn. Quá trình này cũng tương tự như sóng biển, đôi lúc nó chồng lên nhau để tạo lên ngọn sóng lớn hơn, nhưng cũng có những lúc chúng triệt tiêu lẫn nhau tạo thành những hõm sóng.
"Chúng ta không thể sử dụng thước đo để đo đạc khoảng cách giữa các phi thuyền," de Vine cho biết, "vì vậy chúng tôi dùng la-de. Bước sóng la-de cũng giống như các điểm đánh dấu thang đo trên thước."
Trong LISA, các chùm sáng la-de được dò bởi các máy đo pha và sau đó gửi về trái đất. Ở đây chúng được cho giao thoa theo một quá trình gọi là hiện tượng giao thoa trễ, vì phải mất một khoảng thời gian kỉ thuật giao thoa mới được áp dụng. Nếu hình ảnh giao thoa giữa các chùm la-de gửi về là giống nhau, nghĩa là các tàu không gian không bị xê dịch so với nhau. Ngược lại, nếu các hình ảnh giao thoa là khác nhau, sự dịch chuyển này là tồn tại. Sau khi tất cả các lý do khác ảnh hưởng đến sự dịch chuyển của các tàu không gian bị loại bỏ, ta thu được sóng hấp dẫn.
Đó là ý tưởng căn bản. Trong thực tế, có một yếu tố chính là cho quá trình này trở nên phức tạp hơn. Do nó mà tàu không gian không thể đứng yên mà thực sự dao động trong không gian, khi chưa kể đến sóng hấp dẫn. Một thách thức khác là nhiễu của chùm la-de. Làm sao biết được những dịch chuyển của tàu không gian là do sóng hấp dẫn hay do các nhiễu la-de?
Đây chính là câu hỏi mà đội ngủ JPL đang tìm kiếm giải pháp tại phòng thí nghiệm của họ với mô hình giả theo LISA. Nhóm đã đưa các nhiễu nhân tạo và ngẫu nhiên vào chùm la-de, sau đó tập hợp tất cả các dữ liệu thí nghiệm và tiến hành khử nhiễu này. Thành công gần đây của nhóm nghiên cứu cho thấy chúng có thể nhận ra những thay đổi khoảng cách của các phi thuyền mô phỏng vào cỡ pi-co mét.
Về bản chất, họ đã xua đi "tiếng rầm rì" của chùm la-de, vì vậy LISA có thể nghe được "tiếng vo ve" trong giai điệu của sóng hấp dẫn.
Tác giả: Whitney Clavin
Theo physorg.com - thuvienvatly.com
