Albert Einstein đã đưa ra giả thuyết về những gợn sóng này trong kết cấu của không-thời gian một thế kỷ trước. Bây giờ các nhà khoa học đã phát hiện ra chúng lần thứ 3, từ các vụ va chạm lỗ đen ở xa.
Nghệ sĩ Quan niệm về hai lỗ đen hợp nhất, xoay tròn theo kiểu không được sắp xếp. Hình ảnh thông qua Nhà nước LIGO / Caltech / MIT / Sonoma (Aurore Simonnet).
Bởi Sean McWilliams, Đại học Tây Virginia
Lần thứ ba trong một năm rưỡi, Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) tiên tiến đã phát hiện ra sóng hấp dẫn. Giả thuyết của Einstein một thế kỷ trước, việc xác định những gợn sóng này trong không gian - lần thứ ba, không hơn không kém - đang thực hiện lời hứa về một lĩnh vực thiên văn học đã lôi kéo các nhà khoa học trong nhiều thập kỷ, nhưng dường như luôn nằm ngoài cuộc tầm với của chúng tôi
Là một nhà vật lý thiên văn sóng hấp dẫn và là thành viên của Hợp tác khoa học LIGO, tôi rất vui mừng khi thấy tầm nhìn của rất nhiều người trong chúng ta trở thành hiện thực. Nhưng tôi đã quen với việc tìm kiếm công việc của riêng mình thú vị và hấp dẫn hơn những người khác, vì vậy mức độ mà cả thế giới dường như bị mê hoặc bởi thành tựu này đến như một điều bất ngờ. Sự phấn khích là rất xứng đáng, mặc dù. Bằng cách phát hiện các sóng hấp dẫn này lần đầu tiên, chúng tôi không chỉ xác minh trực tiếp một dự đoán chính về lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein trong thời trang thuyết phục và ngoạn mục, mà chúng tôi đã mở ra một cửa sổ hoàn toàn mới sẽ cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ .
Những khám phá này đã ảnh hưởng đến sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Và LIGO chỉ mới bắt đầu.
Điều chỉnh trong vũ trụ
Tại cốt lõi của nó, cách hiểu mới về vũ trụ này bắt nguồn từ khả năng mới phát hiện ra âm thanh của nó. Sóng hấp dẫn không phải là sóng âm thực sự, nhưng sự tương tự là apt. Cả hai loại sóng đều mang thông tin theo một cách tương tự và cả hai đều là hiện tượng hoàn toàn độc lập với ánh sáng.
Sóng hấp dẫn là những gợn sóng trong không gian thời gian lan truyền ra bên ngoài từ các quá trình mạnh mẽ và dữ dội trong không gian. Chúng có thể được tạo ra bởi các vật thể không tỏa sáng, và chúng có thể di chuyển qua bụi, vật chất hoặc bất cứ thứ gì khác mà không bị hấp thụ hoặc biến dạng.Họ mang thông tin độc đáo về các nguồn của họ tiếp cận chúng tôi trong trạng thái nguyên sơ, cho chúng tôi cảm nhận thực sự về nguồn có thể kiếm được bằng bất kỳ cách nào khác.
Thuyết tương đối rộng nói với chúng ta, trong số những thứ khác, rằng một số ngôi sao có thể trở nên dày đặc đến nỗi chúng tự đóng lại với phần còn lại của vũ trụ. Những vật thể phi thường này được gọi là lỗ đen. Thuyết tương đối rộng cũng dự đoán rằng khi các cặp lỗ đen quay xung quanh nhau trong một hệ nhị phân, chúng khuấy động không-thời gian, chính là kết cấu của vũ trụ. Nó có sự xáo trộn về không gian thời gian đó là năng lượng xuyên vũ trụ dưới dạng sóng hấp dẫn.
Sự mất năng lượng đó làm cho nhị phân thắt chặt hơn nữa, cho đến khi cuối cùng hai lỗ đen đập vào nhau và tạo thành một lỗ đen duy nhất. Sự va chạm ngoạn mục này tạo ra nhiều năng lượng trong sóng hấp dẫn hơn là được chiếu dưới dạng ánh sáng bởi tất cả các ngôi sao trong vũ trụ cộng lại. Những sự kiện thảm khốc này chỉ kéo dài hàng chục mili giây, nhưng trong thời gian đó, chúng là hiện tượng mạnh nhất kể từ Vụ nổ lớn.
Những sóng này mang thông tin về các lỗ đen có thể có thể thu được bằng bất kỳ cách nào khác, vì kính viễn vọng có thể nhìn thấy các vật thể không phát ra ánh sáng. Đối với mỗi sự kiện, chúng tôi có thể đo khối lượng đen lỗ đen, tốc độ quay hoặc quay của chúng, quay và chi tiết về vị trí và hướng của chúng với mức độ chắc chắn khác nhau. Thông tin này cho phép chúng ta tìm hiểu làm thế nào những vật thể này được hình thành và phát triển trong thời gian vũ trụ.
Mặc dù trước đây chúng ta đã có bằng chứng mạnh mẽ về sự tồn tại của các lỗ đen dựa trên tác động của lực hấp dẫn của chúng đối với các ngôi sao và khí xung quanh, thông tin chi tiết từ sóng hấp dẫn là vô giá để tìm hiểu về nguồn gốc của những sự kiện ngoạn mục này.
Ảnh chụp từ trên cao của máy dò sóng hấp dẫn LIGO ở Livingston, Louisiana. Hình ảnh qua Flickr / LIGO.
Phát hiện biến động nhỏ nhất
Để phát hiện những tín hiệu vô cùng yên tĩnh, các nhà nghiên cứu xây dựng hai công cụ LIGO, một ở Hanford, Washington và khác 3.000 dặm ở Livingston, Louisiana. Chúng được thiết kế để tận dụng hiệu ứng độc đáo mà sóng hấp dẫn có trên bất cứ thứ gì chúng gặp phải. Khi sóng hấp dẫn đi qua, chúng thay đổi khoảng cách giữa các vật thể. Có những sóng hấp dẫn đi qua bạn ngay bây giờ, buộc đầu, chân và mọi thứ ở giữa phải di chuyển qua lại theo một cách có thể dự đoán được - nhưng không thể nhận ra -.
Bạn có thể cảm nhận được hiệu ứng này, hoặc thậm chí nhìn thấy nó bằng kính hiển vi, bởi vì sự thay đổi là vô cùng nhỏ bé. Các sóng hấp dẫn mà chúng ta có thể phát hiện với LIGO thay đổi khoảng cách giữa mỗi đầu của các máy dò dài 4 km chỉ bằng 10? ¹? mét. Cái này nhỏ thế nào? Nhỏ hơn một nghìn lần so với kích thước của một proton - đó là lý do tại sao chúng ta có thể mong đợi được nhìn thấy nó ngay cả với kính hiển vi.
Các nhà khoa học LIGO làm việc về hệ thống treo quang học của nó. Hình ảnh thông qua Phòng thí nghiệm LIPO.
Để đo khoảng cách phút như vậy, LIGO sử dụng một kỹ thuật gọi là giao thoa học. Các nhà nghiên cứu đã chia ánh sáng từ một tia laser thành hai phần. Mỗi phần sau đó di chuyển xuống một trong hai cánh tay vuông góc có độ dài mỗi 2,5 dặm. Cuối cùng, cả hai kết hợp lại với nhau và được phép can thiệp lẫn nhau. Thiết bị được hiệu chỉnh cẩn thận để trong trường hợp không có sóng hấp dẫn, sự giao thoa của tia laser dẫn đến sự khử gần như hoàn hảo - không có ánh sáng phát ra từ giao thoa kế.
Tuy nhiên, một sóng hấp dẫn đi qua sẽ kéo dài một cánh tay cùng lúc với nó ép cánh tay kia. Với độ dài tương đối của cánh tay thay đổi, sự giao thoa của ánh sáng laser sẽ không còn hoàn hảo. Nó thay đổi nhỏ về lượng nhiễu mà Advanced LIGO đang đo và phép đo đó cho chúng ta biết hình dạng chi tiết của sóng hấp dẫn đi qua phải là gì.
LIGO163 KB (tải xuống)
Tất cả các sóng hấp dẫn đều có hình dạng của một tiếng kêu, trong đó cả biên độ (gần giống với âm lượng) và tần số, hoặc cường độ của tín hiệu đều tăng theo thời gian. Tuy nhiên, các đặc điểm của nguồn được mã hóa trong các chi tiết chính xác của tiếng hót líu lo này và cách nó phát triển theo thời gian.
Lần lượt, hình dạng của sóng hấp dẫn mà chúng ta quan sát có thể cho chúng ta biết chi tiết về nguồn không thể đo được bằng bất kỳ cách nào khác. Với ba phát hiện tự tin đầu tiên của Advanced LIGO, chúng tôi đã phát hiện ra rằng các lỗ đen phổ biến hơn chúng ta mong đợi và rằng loại phổ biến nhất, hình thành trực tiếp từ sự sụp đổ của các ngôi sao lớn, có thể lớn hơn chúng ta trước đây nghĩ là có thể. Tất cả thông tin này giúp chúng ta hiểu các ngôi sao khổng lồ tiến hóa và chết như thế nào.
Ba phát hiện được xác nhận bởi LIGO (GW150914, GW151226, GW170104) và một phát hiện có độ tin cậy thấp hơn (LVT151012), chỉ ra một quần thể các lỗ đen nhị phân khối sao, khi được sáp nhập, lớn hơn 20 khối lượng mặt trời - lớn hơn 20 lần đã được biết đến trước đây. Hình ảnh qua bang LIGO / Caltech / Sonma (Aurore Simonnet).
Các lỗ đen trở nên ít hơn của một hộp đen
Sự kiện gần đây nhất này, mà chúng tôi đã phát hiện vào ngày 4 tháng 1 năm 2017, là nguồn xa nhất mà chúng tôi đã quan sát thấy cho đến nay. Bởi vì sóng hấp dẫn truyền đi với tốc độ ánh sáng, khi chúng ta nhìn vào các vật thể ở rất xa, chúng ta cũng nhìn lại thời gian. Sự kiện gần đây nhất này cũng là nguồn sóng hấp dẫn cổ xưa nhất mà chúng tôi đã phát hiện cho đến nay, đã xảy ra hơn hai tỷ năm trước. Trước đó, vũ trụ nhỏ hơn 20% so với ngày nay và sự sống đa bào chưa phát sinh trên Trái đất.
Khối lượng của lỗ đen cuối cùng bị bỏ lại sau vụ va chạm gần đây nhất này gấp 50 lần khối lượng mặt trời của chúng ta. Trước sự kiện được phát hiện đầu tiên, nặng gấp 60 lần khối lượng mặt trời, các nhà thiên văn học đã không nghĩ rằng các lỗ đen khổng lồ như vậy có thể được hình thành theo cách này. Trong khi sự kiện thứ hai chỉ có 20 khối lượng mặt trời, việc phát hiện sự kiện rất lớn này cho thấy các hệ thống như vậy không chỉ tồn tại mà còn có thể tương đối phổ biến.
Ngoài khối lượng của chúng, các lỗ đen cũng có thể xoay và các spin của chúng ảnh hưởng đến hình dạng phát xạ sóng hấp dẫn của chúng. Ảnh hưởng của spin khó đo lường hơn, nhưng sự kiện gần đây nhất này cho thấy bằng chứng không chỉ đối với spin mà còn có khả năng cho spin không được định hướng xung quanh cùng trục với quỹ đạo nhị phân. Nếu trường hợp sai lệch như vậy có thể được thực hiện mạnh mẽ hơn bằng cách quan sát các sự kiện trong tương lai, nó sẽ có ý nghĩa quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về cách các cặp lỗ đen này hình thành.
Trong những năm tới, chúng ta sẽ có nhiều nhạc cụ hơn như LIGO lắng nghe sóng hấp dẫn ở Ý, ở Nhật Bản và ở Ấn Độ, học hỏi nhiều hơn về các nguồn này. Các đồng nghiệp của tôi và tôi vẫn đang háo hức chờ đợi lần đầu tiên phát hiện ra một nhị phân chứa ít nhất một ngôi sao neutron - một loại sao dày đặc không đủ lớn để sụp đổ hoàn toàn vào lỗ đen.
Hầu hết các nhà thiên văn học dự đoán rằng các cặp sao neutron sẽ được quan sát trước các cặp lỗ đen, do đó sự vắng mặt liên tục của chúng sẽ đưa ra một thách thức đối với các nhà lý thuyết. Phát hiện cuối cùng của họ sẽ tạo điều kiện cho một loạt các khả năng mới cho các khám phá, bao gồm triển vọng hiểu rõ hơn các trạng thái cực kỳ dày đặc của vật chất và có khả năng quan sát một chữ ký ánh sáng độc đáo bằng cách sử dụng kính viễn vọng thông thường từ cùng một nguồn như tín hiệu sóng hấp dẫn.
Chúng tôi cũng hy vọng sẽ phát hiện ra sóng hấp dẫn trong vòng vài năm tới từ không gian, sử dụng các đồng hồ tự nhiên rất chính xác được gọi là pulsar, phát ra bức xạ theo cách của chúng tôi trong khoảng thời gian rất đều đặn. Cuối cùng, chúng tôi dự định đặt giao thoa kế cực lớn vào quỹ đạo, nơi chúng có thể tránh được tiếng ầm ầm dai dẳng của Trái đất, đây là nguồn gây nhiễu hạn chế cho các máy dò LIGO tiên tiến.
Sean McWilliams, Trợ lý Giáo sư Vật lý và Thiên văn học, Đại học Tây Virginia
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên The Convers. Đọc bài viết gốc.