Vào ngày 29/6, năm nhóm các nhà thiên văn vô tuyến độc lập đã công bố một loạt bài báo trình bày bằng chứng cho thấy vũ trụ chứa đầy sóng hấp dẫn, có thể được tạo ra bởi các sự kiện khổng lồ, chẳng hạn như quá trình sáp nhập của các hố đen siêu lớn hoặc vật lý dị thường trong vũ trụ sơ khai.
Các nhóm từ Bắc Mỹ, Châu Âu, Ấn Độ, Trung Quốc và Úc đã theo dõi các sao xung (pulsar), ngôi sao chết quay nhanh, để thu thập thông tin về sóng hấp dẫn.
Michael Keith, giảng viên vật lý thiên văn tại Trung tâm Vật lý thiên văn Jodrell Bank của Đại học Manchester và là thành viên của Mảng thời gian Sao xung châu Âu (EPTA) cho biết trong một tuyên bố: “Các kết quả được trình bày hôm nay đánh dấu sự khởi đầu của một hành trình mới tiến vào Vũ trụ để khám phá một số bí ẩn chưa được giải quyết của nó”.
Sóng hấp dẫn là những gợn sóng di chuyển với tốc độ ánh sáng trong cấu trúc của không-thời gian của vũ trụ. Mặc dù Albert Einstein đã dự đoán sự tồn tại của chúng vào năm 1916, phải mất gần một thế kỷ, nhóm nghiên cứu tại Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) mới phát hiện ra các rung động không-thời gian này trên Trái đất vào năm 2015.
Sóng hấp dẫn khiến không gian giãn ra và nén lại. Bằng cách đo lường cẩn thận cách các vật thể trong không gian thay đổi vị trí của chúng so với nhau, các nhà khoa học có thể suy ra sự truyền qua của sóng hấp dẫn. LIGO đã theo dõi cách chiều dài của các đường hầm dài 2,5 dặm (4 km) thay đổi nhỏ hơn một phần nghìn kích thước của một proton. Nhờ kỳ tích kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu năm 2015 đã phát hiện ra sóng hấp dẫn được tạo ra bởi sự sáp nhập của hai hố đen có khối lượng gấp hàng chục lần Mặt trời.
Tuy nhiên, để phát hiện rung động tần số thấp của sóng hấp dẫn được tạo ra bởi sự sáp nhập của các hố đen nặng gấp hàng tỷ lần Mặt trời, cần một máy dò lớn hơn nhiều so với kích thước của Trái đất.
Máy dò sóng hấp dẫn quy mô thiên hà
Các nhà thiên văn học đo khoảng cách giữa Trái đất và các sao xung trong hệ Ngân Hà thay đổi như thế nào khi sóng hấp dẫn truyền qua thiên hà của chúng ta. Điều này được gọi là một mảng định thời sao xung.
Các sao xung là tàn dư của các vụ nổ siêu tân tinh: các ngôi sao đang chết dần sụp đổ thành các sao neutron quay nhanh và có từ trường mạnh mẽ, liên tục phát ra các chùm bức xạ điện từ. Các chùm tia có thể quét qua không gian vài trăm lần mỗi giây. Khi một số trong số chúng hướng về Trái đất, chúng xuất hiện dưới dạng các xung vô tuyến rất đều đặn.
David Champion, một nhà khoa học tại Viện Thiên văn vô tuyến Max Planck và EPTA, cho biết: “Sao xung là những chiếc đồng hồ tự nhiên tuyệt vời. Chúng tôi đã sử dụng tính đều đặn đáng kinh ngạc của các tín hiệu của chúng để tìm kiếm những thay đổi nhỏ trong tích tắc nhằm phát hiện sự kéo giãn và nén lại tinh vi của không-thời gian”.
Nhà thiên văn học người Anh Jocelyn Bell Burnell đã quan sát sao xung đầu tiên vào năm 1967. Trong 15 năm qua, các nhà thiên văn vô tuyến từ các nhóm khác nhau đã theo dõi cẩn thận các xung từ tổng số khoảng 100 sao xung đang quay nhanh.
Maura McLaughlin, giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học West Virginia và Đài quan sát hấp dẫn Nanohertz Bắc Mỹ về Sóng trọng lực (NANOGrav), cho biết: “Sao xung thực sự là nguồn vô tuyến rất yếu, vì vậy chúng tôi cần hàng nghìn giờ mỗi năm trên kính thiên văn lớn nhất thế giới để thực hiện thí nghiệm này”.
Thay vì phát hiện từng sóng hấp dẫn đi qua hệ Ngân Hà, năm nhóm khác nhau nghiên cứu toàn bộ nền sóng hấp dẫn tần số thấp tràn ngập vũ trụ.
Các dao động chậm trong khoảng cách giữa các sao xung và Trái đất là cực kỳ nhỏ. Do đó, các nhà thiên văn học phải lập mô hình cẩn thận tất cả các nguồn nhiễu có thể xuất hiện trong các quan sát của họ, bao gồm cả các đám mây khí và bụi mà các xung vô tuyến truyền qua, chuyển động của Trái đất trong không gian, cũng như sự dịch chuyển của kính viễn vọng do chuyển động của các lục địa mà chúng được thiết lập trên đó.
Cuộc săn lùng trong vũ trụ kéo dài 15 năm cuối cùng đã tiết lộ những gợi ý đầu tiên về tín hiệu sóng hấp dẫn có khả năng được tạo ra bởi các hố đen siêu lớn. Stephen Taylor từ Đại học Vanderbilt và chủ tịch của nhóm cộng tác NANOGrav cho biết trong một cuộc họp báo: “Khi tôi nhìn thấy mô hình sóng hấp dẫn xuất hiện, tôi đã rất phấn khích”.
Có phải sóng hấp dẫn đến từ một sự kiện siêu khổng lồ?
Mặc dù tín hiệu chưa hoàn toàn đạt được tiêu chuẩn vàng cho việc phát hiện do cộng đồng khoa học đặt ra, nhưng các nhà thiên văn học cảm thấy tự tin rằng kết quả của họ đưa ra "bằng chứng thuyết phục" về nền sóng hấp dẫn có khả năng được tạo ra bởi sự sáp nhập của hai hố đen khổng lồ.
Hầu hết các thiên hà đều có một hố đen khổng lồ ở trung tâm. Những con quái vật vũ trụ này có khối lượng từ vài trăm nghìn lần đến hàng chục tỷ lần khối lượng Mặt trời. Khi các thiên hà va chạm, các hố đen khổng lồ của chúng có thể tiến gần nhau. Khi chúng xoay quanh nhau trong vũ điệu chậm nhưng không ngừng, chúng sẽ phát ra sóng hấp dẫn tần số thấp mà các nhà thiên văn học đang tìm kiếm.
Một khả năng khác là các quá trình vật lý dữ dội xảy ra sau Vụ nổ lớn cũng có thể góp phần tạo nên nền sóng hấp dẫn. Khi các nhóm kết hợp các bộ dữ liệu của họ và tiếp tục quan sát, họ sẽ điều tra chi tiết hơn cả tính chất của các cặp hố đen khổng lồ và thậm chí có thể là vật lý dị thường trong vũ trụ sơ khai.
Taylor cho biết: “Dữ liệu kết hợp của chúng tôi sẽ mạnh mẽ hơn nhiều. Chúng tôi rất hào hứng khám phá những bí mật mà chúng sẽ tiết lộ về Vũ trụ của chúng ta”.
Theo Livescience
Văn Thiện biên dịch
