LIVINGSTON, La. - Khoảng một dặm rưỡi từ một tòa nhà lớn đến mức bạn có thể nhìn thấy nó từ không gian, mọi chiếc xe trên đường đều chậm lại để bò. Các tài xế biết rất nghiêm túc trong giới hạn tốc độ 10 dặm / giờ (16 km / h): Đó là vì tòa nhà chứa một máy dò khổng lồ đang săn lùng các rung động thiên thể ở quy mô nhỏ nhất từng thử. Không có gì đáng ngạc nhiên, nó nhạy cảm với tất cả các rung động của trái đất xung quanh nó, từ tiếng ầm ầm của một chiếc xe hơi đi qua cho đến thảm họa tự nhiên ở phía bên kia địa cầu.
Do đó, các nhà khoa học làm việc tại một trong các máy dò LIGO (Đài quan sát sóng hấp dẫn sóng giao thoa kế tia laser) phải đi một quãng đường dài để săn lùng và loại bỏ tất cả các nguồn tiếng ồn tiềm ẩn - làm chậm lưu lượng xung quanh máy dò, theo dõi từng cơn chấn động nhỏ trong mặt đất, thậm chí treo thiết bị từ hệ thống con lắc bốn cực để giảm thiểu rung động - tất cả trong nỗ lực tạo ra điểm rung động "im lặng" nhất trên Trái đất.
"Tất cả mọi thứ là về săn bắn tiếng ồn", Janeen Romie, trưởng nhóm kỹ thuật phát hiện tại máy dò LIGO ở Louisiana, nói.
Tại sao các nhà vật lý LIGO bị ám ảnh bởi việc loại bỏ tiếng ồn và tạo ra nơi không rung động nhất trên hành tinh? Để hiểu điều đó, bạn cần biết sóng hấp dẫn là gì và cách LIGO phát hiện ra chúng ở nơi đầu tiên. Theo thuyết tương đối rộng, không gian và thời gian là một phần của cùng một sự liên tục, mà Einstein gọi là không-thời gian. Và trong không gian, các vật thể khổng lồ tăng tốc nhanh chóng có thể tạo ra sóng hấp dẫn, trông giống như những gợn sóng tỏa ra bên ngoài khi một viên sỏi rơi xuống mặt ao. Những sóng này cho thấy sự kéo dài và co lại của vải vũ trụ.
Làm thế nào để bạn đo lường các thay đổi trong chính không-thời gian, khi bất kỳ thiết bị đo nào cũng trải qua những thay đổi tương tự? Giải pháp khéo léo là những gì được gọi là giao thoa kế. Nó dựa vào thực tế là sóng hấp dẫn kéo dài không-thời gian dọc theo một hướng, trong khi co lại theo hướng vuông góc. Hãy nghĩ về một chiếc phao trên mặt nước: Khi một con sóng lướt qua, nó nhấp nhô lên xuống. Trong trường hợp sóng hấp dẫn tỏa khắp Trái đất, mọi thứ dao động rất nhẹ qua lại, thay vì lên xuống.
Máy dò của LIGO được tạo thành từ nguồn sáng laser, bộ tách chùm, một số gương và máy dò ánh sáng. Ánh sáng rời khỏi tia laser, được tách thành hai chùm vuông góc bằng bộ tách chùm, sau đó truyền khoảng cách bằng nhau xuống cánh tay của giao thoa kế đến hai gương, nơi ánh sáng bị phản xạ xuống cánh tay. Cả hai chùm tia sau đó chạm vào máy dò, được đặt đối diện với một trong những gương phản chiếu. Khi một sóng hấp dẫn đi qua giao thoa kế, nó làm cho một cánh tay dài hơn một chút và tay kia ngắn hơn một chút, vì nó kéo dài không gian dọc theo một hướng trong khi nén nó dọc theo một hướng khác. Điều này thay đổi cực kỳ nhỏ trong mô hình ánh sáng chiếu vào ánh sáng máy dò. Theo trang web hợp tác của LIGO, mức độ nhạy của LIGO tương đương với "đo khoảng cách đến ngôi sao gần nhất (khoảng 4.2 năm ánh sáng) đến độ chính xác nhỏ hơn chiều rộng của tóc người".
Để có thể phát hiện ra sóng chiều rộng của tóc đó, các nhà khoa học đã cố gắng hết sức để loại bỏ bất kỳ nhiễu loạn tiềm năng nào đối với thiết lập tinh chỉnh này, Carl Blair, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại LIGO, người nghiên cứu về cơ học quang học, hoặc sự tương tác của ánh sáng với các hệ thống cơ học.
Để bắt đầu, các cánh tay dài 2,5 dặm (4 km) nằm trong một trong những khoảng chân không hoàn hảo nhất thế giới, nghĩa là nó gần như không có phân tử, vì vậy không có gì có thể cản trở đường đi của chùm tia. Các máy dò cũng được bao quanh bởi tất cả các loại thiết bị (máy đo địa chấn, từ kế, micrô và máy dò tia gamma, để gọi tên một số) để đo nhiễu trong dữ liệu và loại bỏ chúng.
Bất cứ điều gì có thể can thiệp hoặc bị hiểu sai là tín hiệu sóng hấp dẫn cũng phải được săn lùng và loại bỏ, Blair nói. Điều đó bao gồm sự không hoàn hảo trong chính máy dò - thứ được gọi là nhiễu - hoặc các nhiễu loạn phi vật lý được thu nhận bởi thiết bị - thứ được gọi là trục trặc. Các nhà vật lý thậm chí phải tính đến sự rung động của các nguyên tử tạo nên gương của máy dò và sự dao động ngẫu nhiên của dòng điện trong thiết bị điện tử. Ở quy mô lớn hơn, trục trặc có thể là bất cứ thứ gì, từ một chuyến tàu chở hàng đi qua đến một con quạ khát nước.
Và trục trặc có thể thực sự khó khăn để đóng đinh. Khi Arnaud Pele tham gia nhóm kỹ sư phát hiện tại LIGO, anh ta được giao nhiệm vụ tìm ra sự nhiễu loạn đặc biệt đến từ đâu: các dụng cụ đo chuyển động của mặt đất xung quanh các máy dò sóng hấp dẫn đang đăng ký tăng đột biến, và không ai biết tại sao. Sau vài tháng kiên trì chăm sóc, anh ta đã tìm ra thủ phạm: một tảng đá vô duyên nằm giữa mặt đất và một số lò xo cơ học dưới một hệ thống thông gió. Do đá, lò xo không thể ngăn rung động của máy thở xuất hiện trong máy dò, gây ra tín hiệu bí ẩn. "Đó là một phần thực sự thú vị trong công việc của tôi, làm công việc thám tử này," Pele nói. "Hầu hết thời gian, đó là giải pháp đơn giản." Trong quá trình tìm kiếm những rung động cực nhỏ từ vũ trụ xa xôi, công việc thực sự có thể rất sâu xuống Trái đất.
Quan trọng nhất, có lẽ, có ba máy dò: Ngoài một ở Louisiana, còn có một ở Hanford, Washington và một ở Ý: "Nếu có gì đó thật thì nó phải giống nhau trong tất cả các máy dò", thành viên cộng tác LIGO nói Salvatore Vitale, trợ lý giáo sư vật lý tại MIT. Nếu đó là một chuyến tàu chở hàng hoặc một tảng đá nằm dưới một con suối, thì nó sẽ chỉ xuất hiện ở một trong ba máy dò.
Với tất cả các công cụ này và một số thuật toán rất tinh vi, các nhà khoa học có thể định lượng khả năng tín hiệu thực sự là sóng hấp dẫn. Họ thậm chí có thể tính toán tốc độ báo động sai cho một phát hiện nhất định hoặc khả năng tín hiệu chính xác sẽ xuất hiện do tai nạn. Chẳng hạn, một trong những sự kiện từ đầu mùa hè này, có tỷ lệ báo động sai chưa đến một lần trong 200.000 năm, khiến nó trở thành một ứng cử viên cực kỳ hấp dẫn. Nhưng chúng ta sẽ phải đợi cho đến khi bản án cuối cùng được đưa ra.
Báo cáo cho bài viết này được hỗ trợ một phần bởi một khoản trợ cấp từ Quỹ khoa học quốc gia.
