Hình ảnh Arial của LIGO. Nhấn vào đây để phóng to.
Trước đây, các nhà thiên văn học chỉ có thể nhìn thấy bầu trời dưới ánh sáng khả kiến, sử dụng đôi mắt của họ làm thụ thể. Nhưng nếu bạn có đôi mắt trọng lực thì sao? Einstein dự đoán rằng các vật thể và sự kiện cực đoan nhất trong Vũ trụ sẽ tạo ra sóng hấp dẫn và làm biến dạng không gian xung quanh chúng. Một thí nghiệm mới gọi là Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (hay LIGO) có thể thực hiện phát hiện đầu tiên về các sóng trọng lực này.
Nghe cuộc phỏng vấn: Nhìn bằng mắt hấp dẫn (7,9 MB)
Hoặc đăng ký Podcast: iverseetoday.com/audio.xml
Điều gì một Podcast?
Fraser Cain: Được rồi, vậy sóng hấp dẫn là gì?
Tiến sĩ Sam Waldman: Vì vậy, một sóng trọng lực có thể được giải thích nếu bạn nhớ rằng khối lượng làm biến dạng không thời gian. Vì vậy, nếu bạn nhớ sự tương tự của một tấm kéo căng với một quả bóng bowling ném vào giữa tấm, uốn cong tấm; trong đó quả bóng bowling là một khối và tấm biểu thị không thời gian. Nếu bạn di chuyển quả bóng bowling đó qua lại rất nhanh, bạn sẽ tạo ra những gợn sóng trong tờ. Điều tương tự cũng đúng với số đông trong Vũ trụ của chúng ta. Nếu bạn di chuyển một ngôi sao qua lại rất nhanh, bạn sẽ tạo ra những gợn sóng trong không thời gian. Và những gợn sóng trong không thời gian là có thể quan sát được. Chúng tôi gọi chúng là sóng trọng lực.
Fraser: Bây giờ nếu tôi đi dạo quanh phòng, điều đó có gây ra sóng trọng lực không?
Tiến sĩ Waldman: Vâng nó sẽ. Theo như chúng ta biết, trọng lực hoạt động ở mọi quy mô và cho mọi khối lượng, nhưng không thời gian rất cứng. Vì vậy, một cái gì đó giống như 200 pound của tôi di chuyển qua văn phòng của tôi đã giành chiến thắng. Những gì được yêu cầu là những vật thể cực lớn di chuyển rất nhanh. Vì vậy, khi chúng tôi tìm cách phát hiện sóng trọng lực, chúng tôi tìm kiếm các vật thể có khối lượng mặt trời. Cụ thể, chúng tôi tìm kiếm các sao neutron, có khối lượng từ 1,5 đến 3 khối lượng mặt trời. Chúng tôi tìm kiếm các lỗ đen, lên tới vài trăm khối lượng mặt trời. Và chúng tôi tìm kiếm những vật thể này sẽ di chuyển rất nhanh. Vì vậy, khi chúng ta nói về một ngôi sao neutron, chúng ta nói về một ngôi sao neutron di chuyển với tốc độ gần như bằng ánh sáng. Trên thực tế, nó phải rung động với tốc độ ánh sáng, nó có thể chỉ cần di chuyển, nó phải lắc qua lắc lại rất nhanh. Vì vậy, họ là những hệ thống thảm họa rất độc đáo, rất lớn mà chúng tôi đang tìm kiếm.
Fraser: Sóng hấp dẫn hoàn toàn là lý thuyết, phải không? Họ đã được Einstein tiên đoán, nhưng họ đã được nhìn thấy chưa?
Tiến sĩ Waldman: Họ đã không được quan sát, họ đã bị suy luận. Có một hệ thống xung có tần số quay xuống với tốc độ phù hợp với sự phát xạ của sóng trọng lực. Đó là PSR 1913 + 16. Và quỹ đạo của ngôi sao này đang thay đổi. Đó là một suy luận, nhưng tất nhiên, đó không phải là một quan sát trực tiếp về sóng trọng lực. Tuy nhiên, nó khá rõ ràng rằng họ phải tồn tại. Nếu luật Einstein Einstein tồn tại, nếu Thuyết tương đối rộng hoạt động và nó hoạt động rất tốt ở rất nhiều thang đo chiều dài, thì sóng trọng lực cũng tồn tại. Họ chỉ thấy rất khó nhìn.
Fraser: Những gì mà nó sẽ mất để có thể phát hiện ra chúng? Nghe có vẻ như các sự kiện rất thảm khốc. Các lỗ đen lớn và sao neutron di chuyển xung quanh, tại sao chúng rất khó tìm?
Tiến sĩ Waldman: Có hai thành phần đó. Có một điều là các hố đen don lồng va chạm mọi lúc, và các ngôi sao neutron don lồng rung chuyển ở bất kỳ nơi nào cũ. Vì vậy, số lượng các sự kiện có thể gây ra sóng trọng lực quan sát được thực sự rất nhỏ. Bây giờ chúng ta nói về, ví dụ, dải ngân hà với một sự kiện xảy ra cứ sau 30-50 năm.
Nhưng phần khác của phương trình đó là bản thân sóng trọng lực rất nhỏ. Vì vậy, họ giới thiệu những gì chúng ta gọi là một chủng; mà thay đổi chiều dài trên mỗi đơn vị chiều dài. Chẳng hạn, nếu tôi có một thước đo dài một mét, và một sóng trọng lực sẽ phun ra thước đo đó khi nó đi qua. Nhưng mức độ mà nó sẽ squish thước đo là vô cùng nhỏ. Nếu tôi có thước đo 1 mét, nó sẽ chỉ gây ra thay đổi 10e-21 mét. Vì vậy, nó là một thay đổi rất nhỏ. Tất nhiên, quan sát 10e-21 mét là nơi thử thách lớn trong việc quan sát sóng trọng lực.
Fraser: Nếu bạn đang đo chiều dài của thước đo bằng một thước đo khác, thì độ dài của thước đo khác sẽ thay đổi. Tôi có thể thấy rằng khó khăn để làm.
Tiến sĩ Waldman: Chính xác, vì vậy bạn có một vấn đề. Cách chúng ta giải quyết vấn đề thước đo là chúng ta thực sự có 2 thước đo, và chúng ta tạo chúng thành một chữ L. Và cách chúng ta đo chúng là sử dụng tia laser. Và cách mà chúng tôi đã sắp xếp thước đo của chúng tôi thực sự là trong một L L LÊ dài 4 km. Có 2 cánh tay, mỗi cánh dài 4 km. Và ở cuối mỗi cánh tay có khối lượng thử thạch anh nặng 4 kg mà chúng ta bật ra khỏi tia laser. Và khi một sóng trọng lực đi qua máy dò hình Liên này, nó kéo dài một chân trong khi nó co lại chân kia. Và nó thực hiện điều này ở mức 100 hertz, trong tần số âm thanh. Vì vậy, nếu bạn lắng nghe chuyển động của những khối này, bạn sẽ nghe thấy tiếng ù ù ở mức 100 hertz. Và do đó, những gì chúng tôi đo được với các tia laser của chúng tôi là chiều dài cánh tay vi sai của giao thoa kế hình chữ nhật lớn này. Đó là lý do tại sao nó LIGO. Nó quan sát Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser.
Fraser: Hãy để xem nếu tôi hiểu điều này một cách chính xác. Hàng tỷ năm trước, một lỗ đen va chạm với nhau và tạo ra một loạt sóng trọng lực. Những sóng trọng lực này xuyên qua Vũ trụ và cuốn trôi Trái đất. Khi chúng đi ngang qua Trái đất, chúng kéo dài một trong những cánh tay này và chúng đang thu nhỏ cánh tay kia và bạn có thể phát hiện ra sự thay đổi này bằng tia laser đó qua lại.
Tiến sĩ Waldman: Đúng vậy. Tất nhiên, thách thức là sự thay đổi chiều dài là vô cùng nhỏ. Trong trường hợp giao thoa kế 4km của chúng tôi, sự thay đổi chiều dài mà chúng tôi đo được bây giờ là 10e-19 mét. Và để đặt một thang đo trên đó, đường kính của hạt nhân nguyên tử chỉ là 10e-15 mét. Vì vậy, sự nhạy cảm của chúng tôi là hạ nguyên tử.
Fraser: Và vì vậy những loại sự kiện nào bạn có thể phát hiện ra vào thời điểm này?
Tiến sĩ Waldman: Vì vậy, đó thực sự là một khu vực hấp dẫn. Sự tương tự mà chúng ta muốn sử dụng giống như nó nhìn vào Vũ trụ bằng sóng vô tuyến là nhìn vào Vũ trụ bằng kính viễn vọng. Những điều bạn thấy là hoàn toàn khác nhau. Bạn nhạy cảm với một chế độ hoàn toàn khác của Vũ trụ. Đặc biệt, LIGO rất nhạy cảm với những sự kiện thảm khốc này. Chúng tôi phân loại các sự kiện của chúng tôi thành 4 loại lớn. Cái đầu tiên chúng ta gọi là vụ nổ, và đó là thứ giống như một lỗ đen đang hình thành. Vì vậy, một vụ nổ siêu tân tinh xảy ra, và rất nhiều vật chất chuyển động quá nhanh đến nỗi nó tạo thành các lỗ đen, nhưng bạn không biết các sóng trọng lực trông như thế nào. Tất cả những gì bạn biết là có sóng trọng lực. Vì vậy, đây là những điều xảy ra cực kỳ nhanh chóng. Chúng tồn tại tối đa 100 mili giây và chúng bắt nguồn từ sự hình thành các lỗ đen.
Một sự kiện khác mà chúng ta nhìn vào là khi hai vật thể ở trên quỹ đạo với nhau, nói rằng hai ngôi sao neutron quay quanh nhau. Cuối cùng, đường kính của quỹ đạo đó phân rã. Các ngôi sao neutron sẽ hợp lại, chúng sẽ rơi vào nhau và tạo thành một lỗ đen. Và trong vài quỹ đạo cuối cùng, những ngôi sao neutron đó (hãy nhớ rằng chúng là những vật thể nặng 1,5 đến 3 khối lượng mặt trời), đang chuyển động với những phân số lớn về tốc độ ánh sáng; nói 10%, 20% tốc độ ánh sáng. Và chuyển động đó là một máy phát sóng trọng lực rất hiệu quả. Vì vậy, những gì chúng tôi sử dụng như nến tiêu chuẩn của chúng tôi. Đó là những gì chúng ta nghĩ rằng chúng ta biết tồn tại; chúng tôi biết họ ở ngoài đó, nhưng chúng tôi chắc chắn có bao nhiêu trong số họ sẽ xảy ra bất cứ lúc nào. Chúng tôi không chắc chắn một ngôi sao neutron trong hình xoắn ốc trông như thế nào trong sóng vô tuyến hoặc tia X, trong bức xạ quang học. Vì vậy, nó có một chút khó khăn để tính toán chính xác tần suất bạn sẽ thấy một hình xoắn ốc hoặc siêu tân tinh.
Fraser: Bây giờ bạn sẽ có thể phát hiện hướng của họ?
Tiến sĩ Waldman: Chúng tôi có hai giao thoa kế. Trong thực tế, chúng tôi có hai trang web và ba giao thoa kế. Một giao thoa kế là ở Livingston Louisiana, nằm ở phía bắc New Orleans. Và giao thoa kế khác của chúng tôi là ở phía đông tiểu bang Washington. Bởi vì chúng ta có hai giao thoa kế, chúng ta có thể thực hiện tam giác trên bầu trời. Nhưng có một số sự không chắc chắn còn lại ở nơi chính xác nguồn. Có những sự hợp tác khác trên thế giới mà chúng tôi hợp tác khá chặt chẽ ở Đức, Ý và Nhật Bản, và họ cũng có máy dò. Vì vậy, nếu nhiều máy dò trong nhiều địa điểm nhìn thấy sóng trọng lực, thì chúng ta có thể làm rất tốt trong việc bản địa hóa. Hy vọng là chúng ta thấy một sóng trọng lực và chúng ta biết nó đến từ đâu. Sau đó, chúng tôi nói với các đồng nghiệp của nhà thiên văn vô tuyến và các đồng nghiệp của nhà thiên văn học tia X của chúng tôi và các đồng nghiệp của nhà thiên văn học quang học của chúng tôi sẽ nhìn vào phần đó của bầu trời.
Fraser: Có một số kính viễn vọng lớn mới ở đường chân trời; quá lớn và khổng lồ, và Magellan Hồi những chiếc kính thiên văn lớn rơi xuống đường ống với ngân sách khá lớn để chi tiêu. Hãy để nói rằng bạn có thể tìm thấy sóng hấp dẫn một cách đáng tin cậy, nó gần như giống như nó thêm một phổ mới để phát hiện của chúng tôi. Nếu ngân sách lớn được đưa vào một số máy dò sóng trọng lực này, bạn nghĩ chúng có thể được sử dụng để làm gì?
Tiến sĩ Waldman: Vâng, như tôi đã nói trước đây, nó giống như cuộc cách mạng trong thiên văn học khi kính viễn vọng vô tuyến lần đầu tiên xuất hiện. Chúng tôi nhìn vào một lớp các hiện tượng khác nhau. Tôi nên nói rằng phòng thí nghiệm LIGO là một phòng thí nghiệm khá lớn. Chúng tôi có hơn 150 nhà khoa học làm việc, vì vậy, nó là một sự hợp tác lớn. Và chúng tôi hy vọng được hợp tác với tất cả các nhà thiên văn học quang học và vô tuyến khi chúng ta tiến lên. Nhưng nó có một chút khó khăn để dự đoán con đường mà khoa học sẽ đi. Tôi nghĩ rằng nếu bạn nói chuyện với nhiều người theo thuyết tương đối rộng, tính năng thú vị nhất của sóng trọng lực là chúng ta đang làm một thứ gọi là Thuyết tương đối mạnh trường mạnh. Đó là tất cả Thuyết tương đối rộng mà bạn có thể đo được khi nhìn vào các ngôi sao và các thiên hà rất yếu. Ở đó, không có nhiều người tham gia, nó không di chuyển rất nhanh. Nó ở khoảng cách rất lớn. Trong khi đó, khi chúng ta nói về sự va chạm của lỗ đen và sao neutron, thì giây cuối cùng đó, khi ngôi sao neutron rơi vào lỗ đen, cực kỳ dữ dội và phát hiện ra một thuyết tương đối rộng mà không phải là rất có thể truy cập bằng kính viễn vọng bình thường, với radio, bằng tia X. Vì vậy, hy vọng là có một số vật lý cơ bản mới và thú vị ở đó. Tôi nghĩ rằng, điều mà chủ yếu thúc đẩy chúng ta là, bạn có thể gọi nó, vui với Thuyết tương đối rộng.
Fraser: Và khi nào bạn hy vọng sẽ có lần phát hiện đầu tiên.
Tiến sĩ Waldman: Vì vậy, giao thoa kế LIGO - cả ba giao thoa kế - mà LIGO vận hành đều chạy ở độ nhạy thiết kế, và chúng tôi hiện đang ở giữa đường chạy của chúng tôi; hoạt động khoa học thứ năm của chúng tôi, đó là một năm dài. Tất cả những gì chúng ta làm trong một năm là cố gắng tìm kiếm sóng trọng lực. Cũng như rất nhiều thứ trong thiên văn học, hầu hết là chờ xem. Nếu một siêu tân tinh không nổ tung, thì tất nhiên chúng ta sẽ không thấy nó. Và vì vậy chúng tôi phải trực tuyến càng lâu càng tốt. Xác suất quan sát một sự kiện, giống như một sự kiện siêu tân tinh, được cho là nằm trong khu vực - ở mức độ nhạy cảm hiện tại của chúng tôi - nó nghĩ rằng chúng ta sẽ thấy một trong 10-20 năm nữa. Có một phạm vi rộng lớn. Trong tài liệu, có những người tuyên bố rằng chúng ta sẽ thấy nhiều người mỗi năm, và sau đó có những người tuyên bố rằng chúng ta đã giành chiến thắng khi thấy sự nhạy cảm của chúng ta. Và nền tảng trung lập bảo thủ là cứ sau 10 năm. Mặt khác, chúng tôi đã nâng cấp máy dò của chúng tôi ngay khi quá trình này kết thúc. Và chúng tôi đã cải thiện độ nhạy bằng hệ số 2, điều này sẽ tăng tỷ lệ phát hiện của chúng tôi lên gấp 2 lần. Bởi vì độ nhạy là một bán kính và chúng tôi đang thăm dò một khối lượng trong không gian. Với hệ số 8-10 trong tỷ lệ phát hiện đó, chúng ta sẽ được nhìn thấy một sự kiện mỗi năm một lần hoặc lâu hơn. Và sau đó, chúng tôi đã nâng cấp lên thứ mà LỚP gọi là Advanced LIGO, một yếu tố cải thiện 10 độ nhạy. Trong trường hợp đó, chúng ta gần như chắc chắn sẽ nhìn thấy sóng trọng lực một lần mỗi ngày hoặc lâu hơn; cứ sau 2-3 ngày. Công cụ đó được thiết kế để trở thành một công cụ rất thực tế. Chúng tôi muốn làm thiên văn học trọng lực; được xem các sự kiện vài ngày một lần. Nó sẽ giống như phóng vệ tinh Swift. Ngay khi Swift đi lên, chúng tôi bắt đầu thấy các tia gamma bùng nổ mọi lúc và Advanced LIGO cũng sẽ tương tự.
