5 hiểu biết sai lầm về sóng trọng trường



Ảnh mô phỏng các lỗ đen hợp nhất vào nhau tạo ra các sóng trọng trường, một loại sóng có hình dạng đep nhưng khó nhận biết. (Nguồn ảnh: Henze, NASA thông qua Wikimedia Commons)

Năm ngoái, qua quan sát với kính viễn vọng BICEP2 (Kính mô tả mức phân cực nền của các thiên hà bên ngoài hệ Ngân hà), các nhà khoa học đã đưa ra một kết luận đặc biệt rằng họ đã tìm thấy sóng trọng trường, là các sóng gợn lăn tăn trong thời-không. Ban đầu, kết luận này được ca ngợi là phát hiện mang tính đột phá của thế kỷ, nhưng sau đó người ta đã chứng minh nó chỉ là tín hiệu giả: tín hiệu tìm thấy chỉ là bụi trong thiên hà.

Vậy liệu chúng có thể tìm thấy sóng trọng trường không? Và sóng này có thật sự cung cấp bằng chứng chắc chắn về vụ nổ Big Bang? Dưới đây là 5 điều hoang tưởng và nhận thức sai về sóng trọng trường.

1. Chưa tìm sóng trọng trường là do hướng nghiên cứu này còn mới

Nhiều người tưởng rằng việc tìm kiếm sóng trọng trường chỉ mới bắt đầu gần đây, thực ra việc này đã được thực hiện nhiều thập kỷ qua nhưng vẫn chưa thành công.

Sóng trọng trường là các nhiễu loạn rung động, hoặc “các gợn sóng” được tạo ra trong khung thời-không khi có một vật thể khổng lồ tiến vào thời-không đó. Khi sóng trọng trường lan truyền, chúng kéo và nén các vật thể, dù lượng kéo nén chỉ có kích cỡ các hạt hạ nguyên tử. Do đó, các nhà khoa học đang cố gắng để chứng minh sự tồn tại của sóng trọng trường bằng việc quan sát xem các vật thể lân cận bị sóng trọng trường tác động ra sao.


Một sóng trọng trường kéo và nén các vật thể trên hành trình di chuyển của nó (Nguốn ảnh: Wikimedia)

Vào năm 1968, nhà vật lý người Mỹ Joseph Weber khẳng định ông đã phát hiện ra sóng trọng trường theo cách quan sát trên bằng việc sử dụng máy dò bí mật được tạo ra từ các xilanh nhôm khổng lồ. Nhưng rất tiếc là khẳng định của ông bị bác bỏ sau đó. Ngày nay, các nhà khoa học ưu tiên sử dụng cách thức đo giao thoa laser để dò sóng trọng trường. Cách thức đo của thiết bị này là nó tách một chùm laser thành hai chùm theo hai hướng vuông góc, từ hai hướng này đi xuống một ống chân không dài. Hai hành trình này sau đó dội vào gương và trở lại điểm bắt đầu, là nơi đặt máy dò. Nếu sóng laser bị làm nhiễu bởi sóng trọng trường khi sóng này di chuyển qua, thì chùm sóng kết hợp khác với chùm gốc.

Các máy đo giao thoa đặt ở mặt đất, giống như đài thiên văn sóng trọng trường đo giao thoa laser, tên là LIGO, có cánh tay (ống chân không) dài khoảng 4 km. Các thiết bị đo giao thoa trong tương lai sẽ đặt ở không gian như đài thiên văn sóng trọng trường bằng đo giao thoa Deci-hertz (DECIGO) và anten không gian đo giao thoa laser phát triển (eLISA) sẽ sử dụng tay laser vươn xa tới một triệu ki-lô-mét. Những thí nghiệm này được kỳ vọng được triển khai trong thập kỷ tới, và một dự án thám hiểm eLISA là “Pathfinder” dự kiến sắp được thực hiện.

2. Sóng trọng trường đến từ vũ trụ sơ khai

Trên thực tế, những nguồn sóng trọng trường lớn nhất là quá trính phát triển vật lý thiên thể vốn luôn luôn xảy ra.

Nguồn sóng trọng trường chủ yếu nhất này đến từ sự xoay chuyển của các cặp sao lùn trắng hoặc lỗ đen (còn gọi là “những hệ thống nhị nguyên”). Các cặp sao như vậy được cho là mất dần năng lượng do phát ra sóng trọng trường. Điều này đã được chứng minh khi ẩn tinh Hulse-Taylor nổi tiếng được khám phá năm 1974. Ẩn tinh này cung cấp bằng chứng gián tiếp về sóng trọng trường vì tốc độ nó mất năng lượng giống với dự đoán của thuyết tương đối tổng quát (trong khi không nhìn thất các sóng này). Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng đang tìm kiếm các sóng trọng trường được tạo ra ngay sau khi vũ trụ được sinh ra, gọi là sóng trọng trường nguyên thủy vốn khó nắm bắt hơn rất nhiều.

3. Kính BICEP2 có thể “phát hiện” ra sóng trọng trường một ngày nào đó

Một trong những mục tiêu của BICEP2 là cố gắng dò ra dấu hiệu của sóng trọng trường nguyên thủy ở trên nhiệt độ của nền sóng vi ba vũ trụ (Cosmic Microwave Background – CMB). Bức xạ này chứa ánh sáng mà ban đầu xuất hiện từ đám mây các hạt cơ bản khi vũ trụ mới được 300.000 năm tuổi, một thời gian lâu trước thời điểm những ngôi sao đầu tiên được hình thành.

Khi sóng ánh sáng rung động theo một hướng nhất định, chúng ta nói rằng nó có một trạng thái phân cực rõ ràng. Nếu sóng trọng trường hiện diện khi CMB được sinh ra, chúng nên để lại một loại dấu vết dạng xoáy ốc độc nhất – một kiểu xoắn ốc do ánh sáng phân cực – kiểu này gọi là “phương thức B”. Do đó, phương thức B là bằng chứng gián tiếp duy nhất về sóng trọng trường. Điểm quan trọng là: các thí nghiệm như BICEP2 sẽ không bao giờ có thể quan sát được sóng trọng trường, mà chỉ quan sát dấu vết chúng lưu lại.

Thậm chí loại bỏ bụi trong những dấu vết này cũng không dễ dàng. Phương thức B lại bị che khuất bởi các tín hiệu mạnh hơn rất nhiều từ sự phát tán bụi và một hiệu ứng gọi là thấu kính trọng trường, chúng trộn lẫn các loại phân cực ánh sáng khác nhau. Loại bỏ những thứ này và nhiều hình thức ô nhiễm khác là công việc khó khăn nhất, thường phải dựa vào các kết quả từ các thí nghiệm khác. Thử thách phức tạp này sẽ được giải quyết bằng thế hệ các thí nghiệm tiếp theo của BICEP như là kính viễn vọng vũ trụ Atacama (ACT) và thiết bị đời tiếp theo được dự kiến là AdvACT. Chúng có thể đo lường CMB tới kích cỡ vượt ra ngoài giới hạn Planck, và khắc phục được điểm yếu của BICEP trong việc mô hình hóa bụi và các hình thức ô nhiễm khác. Triển vọng khám phá ra phương thức B trong vòng một thập kỷ tới là rất hứa hẹn.

Một số nhà khoa học thậm chí suy đoán rằng các thiết bị đo giao thoa không gian có thể phát hiện ra các sóng nguyên thủy, có thể bằng cách lấy ra các sóng được phát hiện từ các quá trình thiên thể vũ trụ đã được biết.

4. Sóng trọng trường có thể “chứng minh” thuyết Big Bang

Nguồn sóng trọng trường đầu tiên không phải là từ vụ nổ Big Bang, mà là sự thổi phồng (hay lạm phát) vũ trụ: là một thời kỳ mà vũ trụ trải qua một khoảnh khắc giãn nở cực nhanh ngay sau vụ nổ Big Bang.

Sóng trọng trường mà BICEP2 khẳng định đã dò ra chỉ là sản phẩm phụ của vụ nổ do sự giãn nở nhanh chóng của vũ trụ. Điều này là dựa theo thuyết tương đối tổng quát, thuyết này dự đoán rằng một vật thể gia tốc sẽ phát ra sóng trọng trường (tương tự với cách một hạt tích điện gia tốc phát ra các sóng điện từ trường).

Sự thổi phồng của vũ trụ hiện nay được coi là mô hình chủ đạo của vũ trụ thời kỳ sơ khai. Trong khi nhiều dự báo chính yếu của thuyết thổi phồng đã được kiểm chứng, thì sự tồn tại được dự báo của sóng trọng trường nguyên thủy vẫn là điều khó nắm bắt. Nếu có thể quan sát chúng, chúng sẽ trực tiếp cho chúng ta biết tỷ lệ năng lượng mà ở đó sự thổi phồng vũ trụ diễn ra, như vậy sẽ giúp chúng ta hiểu hơn về vụ nổ Big Bang. Nhưng sóng trọng trường có thể không chứng minh được thuyết Big Bang, và chúng ta vẫn cần tìm hiểu thêm về khúc mắc toán học đặc biệt này.
5. Chỉ cần một thí nghiệm là phát hiện ra sóng trọng trường

Muốn có dữ liệu thống kê thuyết phục về sóng trọng trường chắc chắn sẽ cần nhiều hơn một thí nghiệm. Giống như sóng ánh sáng, sóng trọng trường là một phổ các tần số. Hai kỹ thuật dò tìm (B-mode và giao thoa laser) đang tìm kiếm các sóng ở các tần số khác nhau – có độ lớn chênh nhau 15 lũy thừa của 10.

Lý thuyết thổi phồng đơn giản nhất đưa ra dự đoán về một nền sóng trọng trường nguyên thủy với một dải tần số cụ thể, nói cách khác chúng ta biết được biên độ sóng của mỗi tần số. Vậy nên, nếu các nhà khoa học có thể dò ra sóng trọng trường ở hai tần số trong số các tần số rất khác nhau này, thì đây thể là bằng chứng có sức thuyết phục đối với thuyết thổi phồng và thậm chí người hoài nghi nhất cũng khó bác bỏ.

Vậy nghiên cứu về sóng trọng trường có đáng làm?

Thế hệ đầu tiên của thiết bị giao thoa không gian khó có thể đạt được độ nhạy cần thiết để dò ra sóng trọng trường nguyên thủy. Tín hiệu như vậy trông chính xác như nào còn là ẩn số và theo nguyên lý, có thể sẽ mãi mãi nằm ngoài tầm với của bất kỳ một thiết bị giao thoa nào trong tương lai.

Dù vậy, nếu chúng ta có thể trực tiếp dò ra sóng trọng trường vật lý thiên thể, điều này sẽ mở ra những hướng đi mới để kiểm tra tính đúng đắn của thuyết tương đối tổng quát của Einstein, là một học thuyết thường được sử dụng để miêu tả trọng lực theo vật lý hiện đại. Lý thuyết này dự đoán về sự tồn tại của sóng trọng trường, nhưng đang bị hoài nghi trong những năm gần đây. Nghiên cứu về sóng trọng trường cũng có thể cung cấp hiểu biết sâu sắc hơn về sự tiến hóa của các vì sao, thiên hà và lỗ đen mà chúng ta có thể không bao giờ nắm được nếu đi theo bất kỳ hướng nghiên cứu nào khác.

Tìm đọc series các bài báo về vũ trụ của chúng tôi ở đây.

Theo http://theconversation.com/five-myth...al-waves-46493