Hướng nghiên cứu mới từ phát hiện sóng hấp dẫn đoạt giải Nobel

Sóng hấp dẫn có thể trở thành tín hiệu dẫn đường để giới nghiên cứu khám phá khoảnh khắc vũ trụ hình thành và nhiều hiện tượng thiên văn khác.

huong nghien cuu moi tu phat hien song hap dan doat giai nobel

Ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Vật lý 2017: Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne. Ảnh: Guardian.

Giới nghiên cứu đã chờ đợi suốt 100 năm để xác nhận sự tồn tại của sóng hấp dẫn và 4 gợn sóng lần lượt xuất hiện và được ghi nhận. Đó là kết quả không phụ kỳ vọng của các nhà khoa học dành hàng thập kỷ thiết kế và chế tạo những thiết bị tinh vi nhất để phát hiện gợn sóng cực nhỏ trong trường không gian - thời gian mà Albert Einstein tiên đoán trong thuyết tương đối tổng quát năm 1905, theo Guardian.

Gợn sóng hấp dẫn đầu tiên được các nhà vật lý nhận biết tới Trái Đất vào ngày 14/9/2015 và gây chấn động cho Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser ở Mỹ (Ligo). Gợn sóng thứ hai xuất hiện ba tháng sau đó, theo sau là gợn sóng thứ ba vào tháng 1 năm nay. Khi gợn sóng thứ 4 truyền đến hồi tháng 8, cả đài Ligo và đài quan sát thứ hai ở Italy tên Virgo đều ghi lại khoảnh khắc đó.

Mỗi sóng hấp dẫn truyền đi đều do những vụ va chạm dữ dội giữa hai hố đen cách đây hơn một tỷ năm. Phát hiện về sóng hấp dẫn là một thành tựu xứng đáng để Rainer Weiss, Barry Barish và Kip Thorne đoạt giải Nobel Vật lý. Tuy nhiên, điều khiến các nhà thiên văn học phấn chấn hơn cả là ý nghĩa của nó đối với nghiên cứu vũ trụ.

"Đây là câu chuyện gồm hai phần", Sheila Rowan, giám đốc Viện nghiên cứu hấp dẫn ở Đại học Glasgow, Anh, nói. "Phần đầu tiên là công cuộc khiến các thiết bị đủ nhạy để tạo ra phát hiện đầu tiên, nhưng kết thúc câu chuyện này lại là khởi đầu cho câu chuyện khác. Chúng tôi thực sự đang ở ngưỡng tìm ra một cách hoàn toàn mới để nghiên cứu vũ trụ và điều đó vô cùng đáng phấn khởi".

Cho đến nay, các nhà thiên văn học đã lập bản đồ vũ trụ hầu như hoàn toàn bằng kính viễn vọng thu thập ánh sáng và những dạng bức xạ điện từ khác. Các kính viễn vọng quang học như Hubble cho phép giới nghiên cứu nhìn sâu vào lịch sử vũ trụ, nhưng những quan sát bị hạn chế ở khoảng 400.000 năm sau vụ nổ Big Bang. Từ mốc thời gian đó trở về trước, vũ trụ đối với các nhà khoa học vẫn là nơi tối tăm.

Sóng hấp dẫn không dễ bị chặn lại. Dù tín hiệu sóng rất yếu, chúng rất khó bị che khuất và những quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai có thể cho phép các nhà khoa học vượt qua giới hạn quang học, xem xét diện mạo vũ trụ sau vụ nổ Big Bang không lâu.

"Có thời điểm, khi chưa sở hữu những máy phát hiện như bây giờ, chúng tôi từng hy vọng có thể nhìn vào khởi đầu của vũ trụ", Rainer Weiss, nhà vật lý ở Viện Công nghệ Massachusetts, một trong ba nhà khoa học đoạt giải Nobel, chia sẻ.

"Các tính toán chỉ ra ở những thời khắc rất sớm của vũ trụ, ngay sau khi vũ trụ hình thành, có một lượng khổng lồ bức xạ nền của sóng hấp dẫn được sản sinh. Đó là một trong những điều thú vị nhất con người có thể chứng kiến bởi nó cho bạn biết rất nhiều về cách vũ trụ bắt đầu", Weiss nói.

Những sóng hấp dẫn sớm nhất có thể phát ra ở một phần giây sau vụ nổ Big Bang khi vũ trụ chuyển từ trạng thái trơn nhẵn phi kết cấu tới hình dạng gồ ghề, ở thời điểm trường không gian - thời gian bị bẻ cong.

Các nhà khoa học hy vọng có thể phát hiện thêm nhiều hiện tượng khác sớm hơn. Sóng hấp dẫn lan tỏa từ những sự kiện vũ trụ khiến cho lượng lớn vật chất tăng tốc. Điều này xảy ra khi một ngôi sao phát nổ nhưng cho đến nay, tất cả những gì các nhà thiên văn biết đến là chớp sáng đánh dấu cái chết của ngôi sao. Thông qua nghiên cứu sóng hấp dẫn, các nhà khoa học hy vọng có thể tìm hiểu lần đầu tiên quá trình diễn ra bên trong một ngôi sao đang sụp đổ.

Khi đài Ligo vận hành, các nhà khoa học cho rằng những gợn sóng đầu tiên họ phát hiện chắc chắn đến từ vụ va chạm giữa hai ngôi sao neutron, một trong những thực thể kỳ lạ nhất trong vũ trụ. Sao neutron hình thành khi những ngôi sao cực lớn chết. Chúng có lớp vỏ và lõi tinh thể và cực đặc, một thìa sao neutron nặng ngang núi Everest.

"Một số siêu tân tinh phát nổ và kết thúc dưới dạng hố đen, nhưng số khác lại trở thành sao neutron", Pedro Ferreira, giáo sư vật lý thiên văn ở Đại học Oxford, Anh, viết. "Điều các nhà khoa học Ligo hy vọng có thể chứng kiến là hai ngôi sao neutron xoay tròn quanh nhau và sáp nhập làm một. Nếu có thể theo dõi những sự kiện này, bạn sẽ bắt đầu hiểu thêm về vật lý cơ bản. Điều đó thật tuyệt".

Những quốc gia khác, bao gồm Nhật Bản và Ấn Độ, cũng lên kế hoạch chế tạo máy phát hiện sóng hấp dẫn riêng. Cơ quan Vũ trụ châu Âu thậm chí còn có ý định phóng đài quan sát vào vũ trụ năm 2034. Mang tên Lisa (Laser Interferometer Space Antenna), sứ mệnh này sẽ hướng đến phát hiện những sóng hấp dẫn yếu hơn loại sóng truyền đến Trái Đất.

"Nhiều người trong số chúng tôi vô cùng mong đợi có thể khám phá những điều chúng tôi chưa từng biết tới. Chúng tôi biết về hố đen, về sao neutron. Chúng tôi hy vọng có những hiện tượng có thể nhìn thấy nhờ sóng hấp dẫn chúng phát ra. Điều đó sẽ mở ra một lĩnh vực khoa học mới", Weiss nói.