Sóng hấp dẫn là những gợn sóng của chính không thời gian, lan đi với tốc độ ánh sáng khi các vật thể rất nặng như hố đen, sao neutron quay quanh nhau và va chạm. Einstein dự đoán chúng năm 1916; gần một thế kỷ sau, ngày 14/9/2015, hai máy dò LIGO ở Mỹ lần đầu đo trực tiếp được một đợt sóng như vậy, sinh ra từ hai hố đen sáp nhập cách khoảng 1,3 tỉ năm ánh sáng. Kết quả được công bố ngày 11/2/2016 và đoạt giải Nobel Vật lý năm 2017.
Sóng hấp dẫn là gì
Theo thuyết tương đối rộng, khối lượng làm cong không thời gian, và lực hấp dẫn chính là cách vật thể đi theo độ cong ấy. Khi khối lượng chuyển động có gia tốc — nhất là hai vật nặng quay quanh nhau — độ cong ấy dao động và lan ra ngoài như gợn sóng trên mặt hồ.
Khi một đợt sóng hấp dẫn đi qua, khoảng cách giữa các vật bị co giãn luân phiên: theo một hướng dài ra, theo hướng vuông góc ngắn lại, rồi đảo lại. Mọi thứ đều bị co giãn như vậy, kể cả bạn và cái thước bạn dùng để đo. Điều làm sóng hấp dẫn gần như vô hình là độ co giãn ấy cực kỳ nhỏ. Đợt sóng năm 2015 làm thay đổi chiều dài cánh tay 4 km của LIGO chưa tới một phần nghìn đường kính một proton.
Sóng hấp dẫn khác hẳn ánh sáng: nó không bị bụi hay khí chắn lại, đi xuyên qua mọi thứ gần như nguyên vẹn. Nó cũng không phải "sóng âm" — trong không gian không có không khí — dù người ta hay chuyển tín hiệu thành âm thanh để nghe.
Einstein từng nghi ngờ chính dự đoán của mình
Einstein đưa ra dự đoán sóng hấp dẫn năm 1916 rồi sửa lại năm 1918. Nhưng ông cũng nghĩ chúng quá yếu để ai đo được. Năm 1936, ông và Nathan Rosen thậm chí gửi một bài báo lập luận rằng sóng hấp dẫn không tồn tại; người phản biện chỉ ra lỗi, và bản cuối cùng đã đổi kết luận. Suốt nhiều thập niên sau, giới vật lý còn tranh cãi liệu sóng hấp dẫn có mang năng lượng thật hay chỉ là ảo ảnh của cách chọn toạ độ.
Năm 1957, tại hội nghị Chapel Hill (Mỹ), lập luận "hạt cườm trên que" gắn với Richard Feynman cho thấy sóng hấp dẫn đi qua có thể làm hạt cườm trượt, ma sát sinh nhiệt — tức nó mang năng lượng thật. Từ đó các nhà thực nghiệm mới bắt tay săn lùng.
Bằng chứng gián tiếp: cặp sao xung Hulse – Taylor
Năm 1974, Russell Hulse và Joseph Taylor phát hiện một sao xung (sao neutron quay nhanh, phát xung vô tuyến đều như đồng hồ) đang quay quanh một sao neutron khác. Theo dõi nhiều năm, họ thấy quỹ đạo của cặp sao co lại dần, chu kỳ ngắn đi đúng bằng mức thuyết tương đối rộng dự đoán nếu hệ mất năng lượng qua sóng hấp dẫn. Đây là bằng chứng gián tiếp thuyết phục đầu tiên, được trao Nobel năm 1993. Nhưng chưa ai "chạm" được vào chính con sóng.
LIGO: đo một khoảng cách nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử
LIGO (Đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa laser) có hai trạm cách nhau khoảng 3.000 km: Hanford ở bang Washington và Livingston ở bang Louisiana. Mỗi trạm là một hình chữ L, hai cánh tay dài 4 km, bên trong là ống chân không. Một chùm laser được tách đôi, đi dọc hai cánh tay, phản xạ qua lại nhiều lần giữa các gương rồi gặp lại nhau.
Bình thường, hai chùm sáng được chỉnh sao cho triệt tiêu nhau — không có ánh sáng tới cảm biến. Khi sóng hấp dẫn đi qua, một cánh tay dài ra một chút, cánh kia ngắn lại, hai chùm lệch pha, ánh sáng lọt tới cảm biến. Để đo được, gương phải treo trên hệ con lắc nhiều tầng, chống rung từ xe tải, sóng biển, thậm chí bước chân người. Hai trạm cách xa nhau để loại nhiễu cục bộ: tín hiệu thật phải xuất hiện ở cả hai, lệch nhau tối đa khoảng 10 mili giây — thời gian ánh sáng đi giữa hai nơi.
Ý tưởng dùng giao thoa laser được Rainer Weiss phác thảo từ đầu thập niên 1970; Kip Thorne và Ronald Drever góp phần lý thuyết và thiết kế; Barry Barish đưa dự án lớn tới thành hình từ thập niên 1990. Phiên bản đầu tiên chạy 2002–2010 không bắt được gì. Phiên bản nâng cấp "Advanced LIGO" vừa bật chạy thử thì bắt được tín hiệu.
Ngày 14/9/2015: tiếng "chíp" từ 1,3 tỉ năm trước
Tín hiệu, sau được đặt tên GW150914, tới Livingston trước rồi tới Hanford khoảng 7 mili giây sau. Trong khoảng hai phần mười giây, tần số và biên độ tăng vọt rồi tắt — hình dạng mà các nhà vật lý gọi là "chirp", giống tiếng chim kêu chíp khi chuyển thành âm thanh.
| Thông số GW150914 | Giá trị (làm tròn, theo LIGO–Virgo) |
|---|---|
| Hố đen thứ nhất | khoảng 36 lần khối lượng Mặt Trời |
| Hố đen thứ hai | khoảng 29 lần khối lượng Mặt Trời |
| Hố đen sau sáp nhập | khoảng 62 lần khối lượng Mặt Trời |
| Năng lượng phát ra dưới dạng sóng hấp dẫn | tương đương khoảng 3 lần khối lượng Mặt Trời |
| Khoảng cách | khoảng 1,3 tỉ năm ánh sáng |
| Thời gian sóng tới | 14/9/2015; công bố 11/2/2016 |
Ba lần khối lượng Mặt Trời biến thành năng lượng trong chưa tới một giây — trong khoảnh khắc đó, công suất phát ra vượt tổng ánh sáng của mọi ngôi sao trong vũ trụ quan sát được cộng lại. Vậy mà khi tới Trái Đất, nó chỉ làm cánh tay LIGO rung một khoảng nhỏ hơn hạt proton.
Nhóm nghiên cứu mất gần năm tháng kiểm tra trước khi công bố. LIGO có quy trình "tiêm tín hiệu giả" để thử xem nhóm có phát hiện ra không, nên câu hỏi đầu tiên của nhiều người là: đây có phải bài thử không? Không phải. Năm 2017, Rainer Weiss, Kip Thorne và Barry Barish nhận giải Nobel Vật lý.
Sau 2015: kỷ nguyên "nghe" vũ trụ
- 17/8/2017 — LIGO và Virgo (Ý) bắt được sóng từ hai sao neutron va chạm (GW170817). Khoảng 1,7 giây sau, vệ tinh bắt được chớp tia gamma; trong những ngày tiếp theo, hàng chục đài thiên văn quan sát vụ nổ "kilonova" và thấy dấu hiệu tạo ra các nguyên tố nặng như vàng, bạch kim. Lần đầu tiên một sự kiện được cả "nghe" lẫn "nhìn".
- Các đợt quan sát tiếp theo — mạng lưới LIGO, Virgo và KAGRA (Nhật, đặt dưới lòng núi) đã ghi nhận hàng trăm sự kiện, phần lớn là hố đen sáp nhập.
- 2023 — Các nhóm dùng "mảng định thời sao xung" như NANOGrav công bố bằng chứng về một nền sóng hấp dẫn tần số cực thấp, có thể đến từ các cặp hố đen siêu nặng khắp vũ trụ. Bằng chứng mạnh nhưng nguồn gốc chính xác còn bàn cãi.
- Thập niên 2030 — ESA lên kế hoạch phóng LISA, ba vệ tinh cách nhau hàng triệu km tạo thành máy dò trong không gian, nghe được những tần số mà máy dò mặt đất không bắt được.
Góc nhìn hôm nay: tự nghe một tiếng "chíp"
Sóng hấp dẫn mở ra một giác quan mới cho thiên văn học. Trước đây, mọi điều ta biết về vũ trụ đều đến qua ánh sáng ở các bước sóng khác nhau, cùng chút ít tia vũ trụ và neutrino. Giờ ta "nghe" được những sự kiện hoàn toàn tối, như hai hố đen va nhau — thứ không phát ra một tia sáng nào.
- Trang LIGO Caltech có tệp âm thanh tín hiệu GW150914 đã chuyển sang tần số tai người nghe được — nghe trên tai nghe sẽ thấy tiếng "vút" ngắn.
- Dữ liệu LIGO được công khai qua Trung tâm Mở về Sóng hấp dẫn (GWOSC), kèm bài hướng dẫn; học sinh biết chút Python có thể tự vẽ lại tín hiệu năm 2015.
- Cuốn Lỗ đen và thời gian cong của Kip Thorne là sách phổ thông của chính người trong cuộc, dày nhưng đáng đọc nếu bạn mê vật lý.
Câu hỏi thường gặp
Sóng hấp dẫn là gì nói đơn giản?
Sóng hấp dẫn là gợn sóng của không thời gian, sinh ra khi những vật rất nặng như hố đen hay sao neutron quay quanh nhau và va chạm. Khi sóng đi qua, khoảng cách giữa các vật co giãn một lượng cực nhỏ. Sóng lan đi với tốc độ ánh sáng và xuyên qua mọi thứ.
Sóng hấp dẫn được phát hiện năm nào?
Sóng hấp dẫn được đo trực tiếp lần đầu ngày 14/9/2015 bởi hai máy dò LIGO ở Mỹ, công bố ngày 11/2/2016. Trước đó, cặp sao xung Hulse – Taylor phát hiện năm 1974 đã cho bằng chứng gián tiếp. Einstein dự đoán sóng hấp dẫn từ năm 1916.
Ai nhận giải Nobel cho sóng hấp dẫn?
Năm 2017, Rainer Weiss, Kip Thorne và Barry Barish nhận giải Nobel Vật lý cho vai trò quyết định trong máy dò LIGO và việc quan sát sóng hấp dẫn. Trước đó, năm 1993, Hulse và Taylor nhận Nobel cho cặp sao xung chứng minh gián tiếp.
Sóng hấp dẫn có ảnh hưởng tới con người không?
Không đáng kể. Sóng hấp dẫn tới Trái Đất cực yếu, làm thay đổi khoảng cách nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử trên mỗi vài kilômét. Ta không thể cảm nhận được, chỉ những máy dò cực nhạy mới đo ra.
Sóng hấp dẫn khác sóng điện từ thế nào?
Sóng điện từ, như ánh sáng và sóng vô tuyến, là dao động của điện trường và từ trường, dễ bị bụi và khí chắn. Sóng hấp dẫn là dao động của chính không thời gian, gần như không bị gì chắn lại. Nhờ vậy nó mang tin từ những sự kiện hoàn toàn tối như hố đen va chạm.
