Sóng hấp dẫn là những gợn sóng lan trong chính không gian và thời gian, sinh ra khi những vật cực nặng như lỗ đen chuyển động dữ dội. Ngày mười bốn tháng chín năm hai nghìn không trăm mười lăm, hai đài quan sát ở Mỹ lần đầu tiên ghi được chúng, từ hai lỗ đen va vào nhau cách Trái Đất khoảng một tỷ ba trăm triệu năm ánh sáng, đúng như Einstein dự đoán từ một trăm năm trước.
Chào bạn, đây là Nhà Khám Phá. Từ xưa, con người khám phá vũ trụ bằng ánh sáng: nhìn bằng mắt, bằng kính thiên văn. Hôm nay mình kể câu chuyện về lần đầu tiên nhân loại không nhìn mà nghe vũ trụ, và nghe được một tiếng động xảy ra từ khi trên Trái Đất mới chỉ có những sinh vật đơn giản.
Không gian cũng có thể gợn sóng
Năm một nghìn chín trăm mười lăm, Albert Einstein đưa ra thuyết tương đối rộng, giải thích lực hấp dẫn theo một cách mới. Theo ông, vật nặng làm cong không gian và thời gian quanh nó, giống như một quả bóng nặng đặt trên tấm nệm làm nệm lún xuống. Các vật khác lăn theo chỗ lún ấy, và mình gọi đó là bị hút.
Từ lý thuyết ấy, năm một nghìn chín trăm mười sáu, Einstein dự đoán rằng khi những vật nặng chuyển động nhanh, chúng sẽ tạo ra những gợn sóng trong tấm nệm không thời gian, lan đi với tốc độ ánh sáng, như gợn nước lan ra khi ném hòn sỏi xuống ao.
Nhưng ông cũng tính rằng những gợn sóng ấy cực kỳ yếu. Khi tới Trái Đất, chúng chỉ làm khoảng cách co giãn đi một lượng nhỏ đến mức khó tưởng tượng. Chính Einstein từng nghĩ con người sẽ không bao giờ đo được.
Có những bằng chứng gián tiếp từ việc quan sát hai ngôi sao quay quanh nhau mất dần năng lượng đúng như lý thuyết, nhưng chưa ai đo trực tiếp được.
Cây thước dài bốn cây số làm bằng ánh sáng
Muốn đo một độ co giãn nhỏ như vậy, các nhà khoa học xây những đài quan sát rất đặc biệt. Ở Mỹ có hai đài, một ở bang Washington, một ở bang Louisiana, cách nhau khoảng ba nghìn cây số.
Mỗi đài có hai đường ống chân không dài bốn cây số, vuông góc nhau như chữ L. Một chùm tia laser được tách làm đôi, chạy dọc hai ống, dội vào gương ở cuối, rồi quay về gặp nhau. Nếu hai đường dài bằng nhau, hai chùm sáng triệt tiêu nhau. Nếu một sóng hấp dẫn đi qua, một ống dài ra một chút, ống kia ngắn lại một chút, và ánh sáng lệch nhịp để lộ ra điều đó.
Độ co giãn cần đo nhỏ hơn đường kính một hạt proton trong hạt nhân nguyên tử cả nghìn lần. Để làm được, gương phải treo cách ly rung động, ống phải hút chân không gần tuyệt đối, xe tải chạy ngoài đường, sóng biển xa, cả gió thổi cũng phải được tính và lọc bỏ.
Hai đài được đặt xa nhau để kiểm tra chéo. Một tín hiệu thật từ vũ trụ phải xuất hiện ở cả hai nơi, cách nhau chỉ vài phần nghìn giây, còn nhiễu ở một nơi thì nơi kia không có.
Tiếng kêu ngắn ngủi từ một tỷ năm trước
Sáng ngày mười bốn tháng chín năm hai nghìn không trăm mười lăm, chỉ vài ngày sau khi các đài vừa được nâng cấp, cả hai cùng ghi được một tín hiệu kéo dài chưa tới một giây. Nó bắt đầu trầm, rồi cao dần, mạnh dần, rồi tắt.
Phân tích cho thấy đó là tín hiệu từ hai lỗ đen, mỗi cái nặng khoảng ba mươi lần Mặt Trời, quay quanh nhau ngày càng nhanh rồi nhập làm một. Trong khoảnh khắc va chạm, một lượng năng lượng tương đương khối lượng ba Mặt Trời biến thành sóng hấp dẫn.
Khi chuyển tín hiệu thành âm thanh, người ta nghe một tiếng vút lên ngắn như tiếng chim hót. Các nhà khoa học gọi đó là tiếng ríu rít. Tiếng ríu rít ấy đã đi trong vũ trụ khoảng một tỷ ba trăm triệu năm, khởi hành từ khi sự sống trên Trái Đất còn là những sinh vật đơn bào.
Các nhà khoa học kiểm tra kỹ trong nhiều tháng, loại trừ mọi khả năng nhiễu và cả khả năng có người cố tình đưa tín hiệu giả vào để thử. Tháng hai năm hai nghìn không trăm mười sáu, phát hiện được công bố. Năm hai nghìn không trăm mười bảy, những người có công lớn với dự án nhận giải Nobel vật lý.
Khi hai ngôi sao chết va nhau, sinh ra vàng
Từ đó, các đài quan sát sóng hấp dẫn ở Mỹ, Ý và sau này là Nhật Bản đã ghi được rất nhiều vụ va chạm khác.
Tháng tám năm hai nghìn không trăm mười bảy, các đài ghi được sóng hấp dẫn từ hai sao neutron va nhau. Sao neutron là xác của những ngôi sao lớn đã chết, nhỏ cỡ một thành phố mà nặng hơn cả Mặt Trời. Lần này, vụ va chạm còn phát ra ánh sáng, và hàng chục đài thiên văn trên khắp thế giới cùng quay kính về hướng đó.
Họ thấy dấu hiệu của những nguyên tố nặng như vàng, bạch kim được tạo ra trong vụ va chạm. Đây là bằng chứng mạnh cho thấy một phần vàng trong vũ trụ, có thể cả vàng trong chiếc nhẫn của bạn, sinh ra từ những vụ va chạm sao như thế.
Lần đầu tiên, con người vừa nghe vừa nhìn một sự kiện trong vũ trụ cùng lúc. Một ngành thiên văn học mới đã ra đời.
Bài học từ một trăm năm chờ đợi
Từ dự đoán của Einstein tới lúc đo được là đúng một trăm năm. Những người đề xuất xây đài quan sát từ những năm bảy mươi, tám mươi đã phải thuyết phục rất lâu, vì nhiều người cho rằng dự án quá tốn kém mà có thể không bao giờ thành công.
Thành công đến nhờ hàng nghìn nhà khoa học, kỹ sư ở nhiều nước cùng góp sức, cải tiến từng chiếc gương, từng bộ treo, từng thuật toán lọc nhiễu qua nhiều thập kỷ.
Câu chuyện nhắc rằng khoa học lớn đòi hỏi sự kiên nhẫn và hợp tác. Một câu hỏi được đặt ra hôm nay có thể phải để thế hệ sau trả lời.
Lần tới khi ném hòn sỏi xuống ao và nhìn những vòng gợn lan ra, cả nhà hãy nghĩ tới những vòng gợn vô hình đang đi qua chính cơ thể mình mỗi ngày, từ những vụ va chạm khổng lồ ở rất xa trong vũ trụ.
Câu hỏi thường gặp
Sóng hấp dẫn có làm hại con người không?
Không, sóng hấp dẫn khi tới Trái Đất cực kỳ yếu, làm cơ thể mình co giãn một lượng nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử rất nhiều lần. Mình hoàn toàn không cảm nhận được.
Sóng hấp dẫn khác sóng âm thế nào?
Sóng âm là dao động của không khí hay vật chất, không truyền được trong chân không. Sóng hấp dẫn là dao động của chính không gian và thời gian, truyền được qua chân không với tốc độ ánh sáng.
Lỗ đen là gì?
Lỗ đen là vùng không gian có lực hấp dẫn mạnh tới mức không gì thoát ra được, kể cả ánh sáng. Nhiều lỗ đen hình thành khi những ngôi sao rất lớn cạn nhiên liệu và sụp đổ vào trong.
Vì sao cần hai đài quan sát ở xa nhau?
Hai đài xa nhau giúp loại bỏ nhiễu cục bộ như động đất nhỏ hay xe cộ, vì nhiễu ở một nơi không xuất hiện ở nơi kia. Thời gian tín hiệu tới hai nơi chênh nhau chút ít còn giúp xác định hướng của nguồn sóng.
Người Việt có nghiên cứu vật lý thiên văn không?
Nhiều nhà khoa học người Việt đang nghiên cứu vật lý và thiên văn học ở trong và ngoài nước. Ngành thiên văn học ở Việt Nam cũng đang phát triển với các đài quan sát phục vụ nghiên cứu và giáo dục.
