Vào tháng 2 năm 2016, các nhà khoa học làm việc cho Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) đã làm nên lịch sử khi họ công bố phát hiện sóng hấp dẫn đầu tiên. Kể từ thời điểm đó, nhiều phát hiện đã diễn ra và sự hợp tác khoa học giữa các đài quan sát - như Advanced LIGO và Advanced Virgo - đang cho phép mức độ nhạy cảm và chia sẻ dữ liệu chưa từng có.
Lần đầu tiên phát hiện sóng trọng lực là một thành tựu lịch sử, nó mở ra một kỷ nguyên mới của vật lý thiên văn. Sau đó, có một chút thắc mắc tại sao ba nhà nghiên cứu là trung tâm của phát hiện đầu tiên đã được trao giải thưởng Nobel Vật lý năm 2017. Giải thưởng đã được trao cho các giáo sư danh dự của Caltech Kip S. Barish, cùng với giáo sư danh dự MIT Rainer Weiss.
Nói một cách đơn giản, sóng hấp dẫn là những gợn sóng trong không-thời gian được hình thành bởi các sự kiện thiên văn lớn - chẳng hạn như sự hợp nhất của cặp lỗ đen nhị phân. Chúng được tiên đoán lần đầu tiên cách đây hơn một thế kỷ bởi Thuyết Einstein về Thuyết tương đối rộng, trong đó chỉ ra rằng những nhiễu loạn lớn sẽ làm thay đổi cấu trúc của không-thời gian. Tuy nhiên, phải đến những năm gần đây, bằng chứng về những đợt sóng này mới được quan sát lần đầu tiên.
Tín hiệu đầu tiên được phát hiện bởi các đài quan sát song sinh LIGO, - ở Hanford, Washington và Livingston, Louisiana, tương ứng - và bắt nguồn từ một vụ sáp nhập nốt ruồi đen cách đó 1,3 tỷ năm ánh sáng. Cho đến nay, bốn phát hiện đã được, tất cả đều là do sự hợp nhất của các cặp lỗ đen. Chúng diễn ra vào ngày 26 tháng 12 năm 2015, ngày 4 tháng 1 năm 2017 và ngày 14 tháng 8 năm 2017, lần cuối cùng được phát hiện bởi LIGO và máy dò sóng hấp dẫn Virgo châu Âu.
Với vai trò mà họ đã đóng trong thành tựu này, một nửa giải thưởng đã được trao cho Barry C. Barish - Giáo sư Vật lý của Ronald và Maxine Linde, Emeritus - và Kip S. Thorne, Giáo sư Vật lý Lý thuyết Richard P. Feynman , Danh dự. Nửa còn lại được trao cho Rainer Weiss, Giáo sư Vật lý, Danh dự, tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT).
Như chủ tịch Caltech Thomas F. Rosenbaum - Chủ tịch và Giáo sư Vật lý của Sonja và William Davidow - đã nói trong một thông cáo báo chí gần đây của Caltech:
Tôi rất vui mừng và vinh dự được chúc mừng Kip và Barry, cũng như Rai Weiss của MIT, về giải thưởng sáng nay của Giải thưởng Nobel Vật lý 2017. Quan sát trực tiếp đầu tiên về sóng hấp dẫn của LIGO là một minh chứng phi thường về tầm nhìn khoa học và sự bền bỉ. Qua bốn thập kỷ phát triển các thiết bị có độ nhạy cao tinh tế, đẩy khả năng tưởng tượng của chúng ta, giờ đây chúng ta có thể nhìn thoáng qua các quá trình vũ trụ mà trước đây không thể phát hiện được. Nó thực sự là sự khởi đầu của một kỷ nguyên mới trong vật lý thiên văn.
Thành tựu này hoàn toàn ấn tượng hơn khi xem xét rằng Albert Einstein, người đầu tiên dự đoán sự tồn tại của họ, tin rằng sóng hấp dẫn sẽ quá yếu để nghiên cứu. Tuy nhiên, đến thập niên 1960, những tiến bộ trong công nghệ laser và những hiểu biết mới về các nguồn vật lý thiên văn có thể khiến các nhà khoa học kết luận rằng những sóng này thực sự có thể phát hiện được.
Máy dò sóng trọng lực đầu tiên được chế tạo bởi Joseph Weber, một nhà vật lý thiên văn của Đại học Maryland. Các máy dò của ông, được chế tạo vào những năm 1960, bao gồm các xi lanh nhôm lớn sẽ được điều khiển để rung bằng cách truyền sóng hấp dẫn. Những nỗ lực khác theo sau, nhưng tất cả đều tỏ ra không thành công; thúc đẩy sự thay đổi đối với một loại máy dò mới liên quan đến giao thoa kế.
Một công cụ như vậy được phát triển bởi Weiss tại MIT, dựa trên kỹ thuật gọi là giao thoa kế laser. Trong loại thiết bị này, sóng hấp dẫn được đo bằng cách sử dụng các gương cách nhau và tách biệt, phản xạ tia laser trên khoảng cách xa. Khi sóng hấp dẫn làm cho không gian bị kéo căng và nén bởi lượng cực nhỏ, nó làm cho ánh sáng phản xạ bên trong máy dò thay đổi rất nhỏ.
Đồng thời, Thorne - cùng với các sinh viên và postdocs của mình tại Caltech - bắt đầu làm việc để cải thiện lý thuyết về sóng hấp dẫn. Điều này bao gồm các ước tính mới về cường độ và tần số của sóng được tạo ra bởi các vật thể như lỗ đen, sao neutron và siêu tân tinh. Điều này lên đến đỉnh điểm trong một bài báo năm 1972 mà Throne đồng xuất bản với sinh viên của mình, Bill Press, đã tóm tắt tầm nhìn của họ về cách sóng hấp dẫn có thể được nghiên cứu.
Cùng năm đó, Weiss cũng công bố một phân tích chi tiết về giao thoa kế và tiềm năng của chúng cho nghiên cứu vật lý thiên văn. Trong bài báo này, ông tuyên bố rằng các hoạt động quy mô lớn hơn - có kích thước từ vài km trở lên - có thể có tác dụng phát hiện sóng hấp dẫn. Ông cũng xác định những thách thức lớn để phát hiện (như rung động từ Trái đất) và đề xuất các giải pháp khả thi để chống lại chúng.
Năm 1975, Weiss đã mời Thorne nói chuyện tại một cuộc họp của ủy ban NASA ở Washington, D.C. và hai người đã dành cả một đêm để nói về các thí nghiệm hấp dẫn. Kết quả của cuộc trò chuyện của họ, Thorne đã quay lại Calteh và đề xuất tạo ra một nhóm trọng lực thực nghiệm, hoạt động trên giao thoa kế song song với các nhà nghiên cứu tại MIT, Đại học Glasgow và Đại học Garched (nơi tiến hành các thí nghiệm tương tự).
Việc phát triển trên giao thoa kế đầu tiên đã bắt đầu ngay sau đó tại Caltech, dẫn đến việc tạo ra một nguyên mẫu dài 40 mét (130 feet) để kiểm tra các lý thuyết của Weiss Weiss về sóng hấp dẫn. Năm 1984, tất cả các công việc đang được thực hiện bởi các tổ chức tương ứng này đã kết hợp với nhau. Caltech và MIT, với sự hỗ trợ của Quỹ khoa học quốc gia (NSF) đã hình thành sự hợp tác LIGO và bắt đầu làm việc trên hai giao thoa kế của nó ở Hanford và Livingston.
Việc xây dựng LIGO là một thách thức lớn, cả về mặt logic và kỹ thuật. Tuy nhiên, mọi thứ đã được giúp đỡ rất nhiều khi Barry Barish (khi đó là nhà vật lý hạt Caltech) trở thành Điều tra viên chính (PI) của LIGO vào năm 1994. Sau một thập kỷ cố gắng bị đình trệ, ông cũng được đưa trở thành giám đốc của LIGO và đưa công trình trở lại. . Ông cũng mở rộng nhóm nghiên cứu và phát triển một kế hoạch làm việc chi tiết cho NSF.
Như Barish đã chỉ ra, công việc anh làm với LIGO là một điều gì đó của một giấc mơ trở thành sự thật:
Tôi luôn muốn trở thành một nhà vật lý thực nghiệm và bị thu hút bởi ý tưởng sử dụng những tiến bộ liên tục trong công nghệ để thực hiện các thí nghiệm khoa học cơ bản không thể làm khác được. LIGO là một ví dụ điển hình về những gì có thể được thực hiện trước đó. Mặc dù đó là một dự án quy mô rất lớn, nhưng những thách thức rất khác so với cách chúng ta xây dựng cây cầu hoặc thực hiện các dự án kỹ thuật lớn khác. Đối với LIGO, thách thức là và làm thế nào để phát triển và thiết kế thiết bị tiên tiến trên quy mô lớn, ngay cả khi dự án phát triển.
Đến năm 1999, việc xây dựng đã kết thúc trên các đài quan sát LIGO và đến năm 2002, LIGO bắt đầu thu được dữ liệu. Năm 2008, công việc bắt đầu cải thiện các máy dò ban đầu của nó, được gọi là Dự án LIGO nâng cao. Quá trình chuyển đổi nguyên mẫu 40 m thành giao thoa kế 4 km (2,5 mi) hiện tại của LIGO là một công việc lớn, và do đó cần phải được chia thành các bước.
Bước đầu tiên diễn ra giữa năm 2002 và 2010, khi nhóm chế tạo và thử nghiệm giao thoa kế ban đầu. Mặc dù điều này không dẫn đến bất kỳ sự phát hiện nào, nhưng nó đã chứng minh các khái niệm cơ bản của đài quan sát và giải quyết được nhiều trở ngại kỹ thuật. Giai đoạn tiếp theo - được gọi là Advanced LIGO, diễn ra từ năm 2010 đến 2015 - cho phép các máy dò đạt được mức độ nhạy mới.
Những nâng cấp này, cũng xảy ra dưới sự lãnh đạo của Barish, cho phép phát triển một số công nghệ chính mà cuối cùng có thể phát hiện đầu tiên. Như Barish đã giải thích:
Trong giai đoạn đầu của LIGO, để cách ly các máy dò khỏi chuyển động của trái đất, chúng tôi đã sử dụng một hệ thống treo bao gồm các gương kiểm tra khối lượng được treo bằng dây đàn piano và sử dụng một bộ giảm xóc thụ động nhiều giai đoạn, tương tự như các bộ giảm xóc thụ động trong xe của bạn. Chúng tôi biết rằng điều này có lẽ sẽ không đủ tốt để phát hiện sóng hấp dẫn, vì vậy, trong Phòng thí nghiệm LIGO, chúng tôi đã phát triển một chương trình đầy tham vọng cho Advanced LIGO kết hợp hệ thống treo mới để ổn định gương và hệ thống cách ly địa chấn tích cực để cảm nhận và khắc phục chuyển động mặt đất.
Cho biết trung tâm Thorne, Weiss và Barish đã nghiên cứu về sóng hấp dẫn như thế nào, cả ba đều được công nhận là người nhận giải thưởng Vật lý năm nay. Cả Thorne và Barish đều được thông báo rằng họ đã giành chiến thắng vào đầu giờ sáng ngày 3 tháng 10 năm 2017. Đáp lại tin tức, cả hai nhà khoa học chắc chắn thừa nhận những nỗ lực không ngừng của LIGO, các nhóm khoa học đã đóng góp cho nó và những nỗ lực của Caltech và MIT trong việc tạo và duy trì các đài quan sát.
Giải thưởng đúng là thuộc về hàng trăm nhà khoa học và kỹ sư LIGO đã chế tạo và hoàn thiện giao thoa sóng hấp dẫn phức tạp của chúng tôi và hàng trăm nhà khoa học LIGO và Virgo đã tìm thấy tín hiệu sóng hấp dẫn trong dữ liệu nhiễu của LIGO và trích xuất thông tin sóng. Anh nói Thorne. Thật đáng tiếc, do các đạo luật của Quỹ Nobel, giải thưởng đã được trao cho không quá ba người, khi khám phá kỳ diệu của chúng tôi là công việc của hơn một ngàn.
Tôi rất khiêm tốn và vinh dự nhận được giải thưởng này, ông Barish nói. Phát hiện sóng hấp dẫn thực sự là một chiến thắng của vật lý thực nghiệm quy mô lớn hiện đại. Trong nhiều thập kỷ, các nhóm của chúng tôi tại Caltech và MIT đã phát triển LIGO thành thiết bị cực kỳ nhạy cảm tạo ra sự khám phá. Khi tín hiệu đến LIGO từ vụ va chạm của hai hố đen xuất hiện cách đây 1,3 tỷ năm, Cộng tác khoa học LIGO mạnh 1.000 nhà khoa học đã có thể xác định được sự kiện ứng cử viên trong vòng vài phút và thực hiện phân tích chi tiết chứng minh một cách thuyết phục rằng sóng hấp dẫn hiện hữu."
Nhìn về phía trước, một điều khá rõ ràng là Advanved LIGO, Advanced Virgo và các đài quan sát sóng hấp dẫn khác trên khắp thế giới mới chỉ bắt đầu. Ngoài việc phát hiện bốn sự kiện riêng biệt, các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng phát hiện sóng hấp dẫn cũng có thể mở ra những biên giới mới cho nghiên cứu thiên văn và vũ trụ.
Chẳng hạn, một nghiên cứu gần đây của một nhóm các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Vật lý thiên văn Monash đã đề xuất một khái niệm lý thuyết được gọi là memory bộ nhớ mồ côi. Theo nghiên cứu của họ, sóng hấp dẫn không chỉ gây ra sóng trong không gian, mà còn để lại những gợn sóng vĩnh viễn trong cấu trúc của nó. Bằng cách nghiên cứu những đứa trẻ mồ côi của Hồi giáo về các sự kiện trong quá khứ, sóng hấp dẫn có thể được nghiên cứu cả khi chúng đến Trái đất và rất lâu sau khi chúng đi qua.
Ngoài ra, một nghiên cứu được công bố vào tháng 8 bởi một nhóm các nhà thiên văn học từ Trung tâm Vũ trụ học tại Đại học California Irvine chỉ ra rằng sáp nhập lỗ đen phổ biến hơn nhiều so với chúng ta nghĩ. Sau khi tiến hành khảo sát vũ trụ nhằm tính toán và phân loại các lỗ đen, nhóm UCI xác định rằng có thể có tới 100 triệu lỗ đen trong thiên hà.
Một nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng mạng dò sóng hấp dẫn LIGO, GEO 600 và Virgo nâng cao cũng có thể được sử dụng để phát hiện các sóng hấp dẫn được tạo ra bởi siêu tân tinh. Bằng cách phát hiện các sóng được tạo ra bởi ngôi sao phát nổ gần cuối tuổi thọ của chúng, các nhà thiên văn học có thể lần đầu tiên nhìn thấy bên trong trái tim của những ngôi sao sụp đổ và thăm dò cơ chế hình thành lỗ đen.
Giải thưởng Nobel Vật lý là một trong những giải thưởng cao quý nhất có thể được trao cho một nhà khoa học. Nhưng điều tuyệt vời hơn cả là kiến thức mà những điều tuyệt vời có được từ một tác phẩm của riêng mình. Nhiều thập kỷ sau khi Thorne, Weiss và Barish bắt đầu đề xuất nghiên cứu sóng hấp dẫn và làm việc hướng tới việc tạo ra các máy dò, các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới đang thực hiện những khám phá sâu sắc đang cách mạng hóa cách chúng ta nghĩ về Vũ trụ.
Và như những nhà khoa học này chắc chắn sẽ chứng thực, những gì chúng ta đã thấy cho đến nay chỉ là phần nổi của tảng băng chìm. Người ta có thể tưởng tượng rằng ở đâu đó, Einstein cũng rạng rỡ với niềm tự hào. Cũng như các nghiên cứu khác liên quan đến lý thuyết tương đối tổng quát của ông, nghiên cứu về sóng hấp dẫn đang chứng minh rằng ngay cả sau một thế kỷ, những dự đoán của ông vẫn còn tiếp tục!
Và hãy chắc chắn xem video này của Cuộc họp báo Caltech nơi Barish và Thorn được vinh danh vì những thành tích của họ:
