Đài quan sát phát hiện các lỗ đen 'đâm nhau'

Lần nâng cấp giúp cho đài quan sát phát hiện tín hiệu từ các vụ va chạm giữa các lỗ đen mỗi 2-3 ngày một lần, so với mỗi tuần một lần hoặc lâu hơn như trước đây.

Sóng hấp dẫn mà LIGO phát hiện được tạo ra bởi các vật thể khối lượng lớn, di chuyển nhanh. Loại sóng này làm kéo giãn kết cấu không gian khi chúng di chuyển. Kể từ khi LIGO bắt đầu hoạt động vào năm 2015, đài quan sát đã ghi lại khoảng 90 sự kiện sóng hấp dẫn, hầu hết bắt nguồn từ chuyển động xoắn ốc của các cặp lỗ đen trong quá trình hợp nhất thành một.

Đài quan sát phát hiện các vụ va chạm lỗ đen

LIGO bao gồm 2 máy dò hay giao thoa kế đặt ở Washington và Louisiana. Giao thoa kế chia một chùm tia laser thành 2 và phản chiếu chúng qua lại giữa 2 gương đặt ở hai đầu của 2 ống chân không dài. Mỗi đường ống dài 4 km, xếp vuông góc thành hình chữ L. Ở góc giao giữa 2 đường ống là một cảm biến.

Trong trường hợp không có bất kỳ nhiễu loạn nào đối với không gian, dao động của các chùm tia sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Nhưng nếu không gian bị kéo giãn bởi sóng hấp dẫn, khoảng cách các chùm laser ở 2 đường ống phải di chuyển nhau, do đó không chồng lên nhau một cách hoàn hảo và cảm biến sẽ phát hiện ra sự "lệch pha" này.

Mức độ kéo giãn mà các sự kiện sóng hấp dẫn tác động lên các đường ống thường chỉ bằng một phần nhỏ chiều rộng của một proton. Để cảm biến có thể ghi lại những thay đổi nhỏ như vậy đòi hỏi phải cách ly hệ thống khỏi tiếng ồn phát ra từ môi trường và từ chính các tia laser.

Đài quan sát LIGO gồm 2 giao thoa kế giống nhau ở Washington và Louisiana (Mỹ), mỗi giao thoa kế tạo thành từ 2 đường ống dài 4 km xếp thành hình chữ L. Ảnh: Xinhua/Caltech/MIT/LIGO Lab.

Trong đợt nâng cấp trước khi đài quan sát vận hành trong giai đoạn 2019-2020, các nhà khoa học đã giảm tiếng ồn bằng một kỹ thuật gọi là "bóp ánh sáng".

Kỹ thuật này nhằm giảm tiếng ồn xuất phát từ bản thân ánh sáng laser. Ánh sáng được tạo thành từ các hạt riêng lẻ, do đó khi các chùm tia laser đến cảm biến, từng photon riêng lẻ có thể đến trước hoặc sau, làm cho sóng laser không chồng lên nhau và triệt tiêu hoàn toàn ngay cả khi không có sóng hấp dẫn.

Kỹ thuật "bóp ánh sáng" đưa một chùm tia laser phụ trợ vào giao thoa kế, với các photon đều hơn và ít nhiễu hơn, để làm giảm hiệu ứng này, Lee McCuller, nhà vật lý tại Viện Công nghệ California, giải thích.

Khó có phép đo hoàn hảo

Nhưng do các quy luật kỳ lạ của cơ học lượng tử, việc giảm độ bất định về thời gian đến của các photon lại làm tăng các dao động ngẫu nhiên trong cường độ của sóng laser. Điều này làm cho các tia laser đẩy các gương trong giao thoa kế và làm gương rung lắc, gây ra một loại nhiễu khác làm giảm độ nhạy của chúng đối với sóng hấp dẫn tần số thấp.

"Đây là một hiện tượng đẹp đẽ của tự nhiên, cho thấy chúng ta không thể thực hiện một phép đo tuyệt đối chính xác, khi tinh chỉnh ở một điểm này thì phải trả giá ở điểm khác", Nergis Mavalvala, nhà vật lý thực nghiệm tại MIT, cho biết.

Mô phỏng 2 lỗ đen trong quá trình va chạm và sáp nhập thành một. Ảnh: NASA’S Goddard Space Flight Center.

Đợt nâng cấp từ năm 2020 đến nay nhằm giải quyết vấn đề này. Các nhà khoa học đã chế tạo thêm các ống chân không dài 300 m, có gương ở hai đầu, để lưu trữ chùm tia phụ trong 2,5 mili giây trước khi đưa nó vào giao thoa kế. Vai trò của những ống này là điều chỉnh bước sóng của tia laser phụ trợ, làm giảm tiếng ồn ở tần số cao đồng thời giảm rung gương ở tần số thấp.

Với cải tiến lần này, các nhà nghiên cứu sẽ có thể trích xuất thông tin chi tiết hơn về cách các lỗ đen tạo ra sóng hấp dẫn, bao gồm cách mỗi lỗ đen quay quanh trục của nó và cách chúng xoay quanh nhau. Điều này có nghĩa là thuyết tương đối rộng của Albert Einstein — lý thuyết dự đoán sự tồn tại của cả lỗ đen và sóng hấp dẫn — sẽ được thử nghiệm một cách chặt chẽ hơn bao giờ hết.

Các nhà vật lý thiên văn cũng dự đoán rằng sóng hấp dẫn sẽ tiết lộ các loại tín hiệu khác bên cạnh những tín hiệu từ các vụ va chạm và sáp nhập lỗ đen, chẳng hạn như tín hiệu hấp dẫn của một ngôi sao đang sụp đổ trước khi biến thành một vụ nổ siêu tân tinh. Các nhà khoa học cũng hy vọng sẽ phát hiện được sóng hấp dẫn từ bề mặt của một pulsar, một sao neutron đang quay phát ra các xung bức xạ.