Ảnh minh họa mô phỏng sóng hấp dẫn được sinh ra từ một vụ va chạm giữa các ngôi sao neutron hay các cặp lỗ đen.R. Hurt/Caltech-JPL

Trước khi khám phá được công bố chính thức, tin đồn về phát hiện này đã được lan truyền trong nhiều tuần liền. Sự việc đã thật sự gây chấn động trong giới vật lý thiên văn học. Trên thực tế, máy dò bắt sóng Ligo của Hoa Kỳ đã bắt được một tín hiệu vào ngày 14/09/2015, vào lúc 16 giờ 51 phút, giờ thế giới. Tín hiệu bắt được cách xa chúng ta đến 1,3 tỷ năm ánh sáng, tức 13 tỷ tỷ km.

Như vậy, sóng hấp dẫn là gì ? Từ đâu mà có ? Einstein đã dự đoán điều gì ?Các nhà khoa học đã dò bắt như thế nào ? Khám phá mới giúp ích gì cho nghiên cứu khoa học ? RFI có buổi trao đổi với nhà thiên văn học Nguyễn Quang Riệu tại Paris.

RFI : Kính thưa giáo sư, ngày 11/02 vừa qua, các nhà khoa học Mỹ, Pháp và Ý đã vui mừng loan báo phát hiện ra sóng hấp dẫn, mở ra một chương mới cho ngành khoa học vũ trụ. Trước tiên, giáo sư có thể giải thích cho thính giả đài RFI biết Sóng hấp dẫn là gì và từ đâu mà có ?

GS. Nguyễn Quang Riệu : Theo thuyết tương đối, thời gian có thể gộp với không gian thành một thực thể gọi là không-thời gian. Những thiên thể nặng và siêu đặc di chuyển nhanh như những cặp lỗ đen quay xung quanh nhau hoặc những vụ sao nổ cũng như vụ nổ nguyên thủy Big Bang đều làm chấn động không-thời gian và tạo ra những gợn sóng hấp dẫn lan truyền khắp vũ trụ.

RFI : Khi loan tin này, giới báo chí đều cho rằng phát hiện mới đó khẳng định các dự đoán của nhà bác học Einstein đưa ra cách đây đúng một thế kỷ là đúng. Giáo sư có thể cho biết vì sao ?

GS. Nguyễn Quang Riệu : Einstein đã tiên đoán từ một thế kỷ nay sự tồn tại cuả sóng hấp dẫn di chuyể̉n nhanh bằng ánh sáng trong không-thời gian. Những gợn sóng hấp dẫn lan truyền trong không-thời gian, tương tự như những làn sóng lăn tăn trên mặt hồ. Thuyết tương đối cuả Einstein đã giải thích được nhiều hiện tượng trong thiên nhiên. Sự phát hiện sóng hấp dẫn trong vũ trụ không những là một sự kiện củng cố thêm thuyết tương đối mà còn kích động các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn để hiểu được nguồn gốc và sự tiến hoá cuả vũ trụ.

Ảnh minh họa sự biến dạng của không-thời gian chung quanh một thiên thể đặc.SXS/LIGO/CALTECH

RFI : Làm thế nào các nhà khoa học đã có thể dò bắt được sóng hấp dẫn ?

GS. Nguyễn Quang Riệu : Sóng hấp dẫn lan truyền khắp vũ trụ và có khả năng làm co giãn những vật thể. Tuy nhiên biên độ dao động kích thước cuả vật thể là vô cùng nhỏ làm cho sự phát hiện sóng hấp dẫn cực kỳ khó khăn. Chẳng hạn, một sự kiện như sự va chạm giữa hai lỗ đen xẩy ra ở trung tâm Dải Ngân hà phát ra những gợn sóng hấp dẫn làm một vật thể dài một mét, chỉ co giãn khoảng một phần trăm nghìn tỷ (10-14 ) milimet ! Cho nên, sự tìm kiếm sóng hấp dẫn trong vũ trụ là một thách thức rất lớn về mặt kỹ thuật.

Sóng hấp dẫn đã được phát hiện gián tiếp bởi hai nhà thiên văn Hulse và Taylor tại Đại học Massachusetts vào năm 1978. Họ quan sát và phát hiện là một cặp thiên thể nặng và đặc gọi là pulsar quay ngày càng gần nhau. Lý do là vì chúng mất dần năng lượng trong quá trình quay để tạo ra sóng hấp dẫn.

Phương pháp đơn giản nhất để phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn là dùng một thanh kim loại để phát hiện tác động co giãn cuả sóng hấp dẫn. Cách đây 50 năm, nhà khoa học Weber làm việc tại Đại học Maryland đã sử dụng kỹ thuật này và công bố là đã phát hiện được sóng hấp dẫn phát từ trung tâm Dải Ngân hà. Nhưng sau đó, những quan sát khác dựa trên kỹ thuật mà Weber sử dụng đều phủ nhận kết quả của Weber.

Trong những năm gần đây, kỹ thuật quang học được dùng để phát hiện sóng hấp dẫn. Những máy dò này dưạ trên phương thức giao thoa quang học. Hai chùm tia laser phát ra từ hai hướng thẳng góc với nhau được dùng để phát hiện tác động cuả sóng hấp dẫn đối với không-thời gian và thay đổi đường đi cuả hai chùm tia laser. Những tia laser kết hợp với nhau sau khi truyền trong hệ giao thoa dài 4 km và tạo ra những vạch sáng xen kẽ với những vạch tối và được gọi là vân giao thoa. Sóng hấp dẫn thay đổi đường đi cuả những chùm tia laser trong máy giao thoa nên hệ vân cũng thay đổi. Hiện nay trên thế giới có một số máy giao thoa trong đó có hệ LIGO cuả Mỹ và VIRGO cuả Pháp và Ý.

RFI : Kết quả quan sát được sóng hấp dẫn bằng kỹ thuật laser là như thế nào ?

GS. Nguyễn Quang Riệu : Các nhà khoa học sử dụng máy dò laser LIGO đã công bố là ngày 14 tháng 9 năm 2015 vừa qua họ thu trực tiếp được tín hiệu cuả sóng hấp dẫn. Tín hiệu có những đặc trưng khớp với những đặc trưng tính bằng lý thuyết của đợt sóng hấp dẫn phát ra từ một vụ va chạm giữa hai lỗ đen nặng bằng khoảng 30 lần mặt trời quay xung quanh nhau. Trong quá trình quay, cặp lỗ đen mất dần năng lượng và cuối cùng sáp nhập với nhau thành một lỗ đen khổng lồ. Sự thất thoát năng lượng tương ứng với ba lần khối lượng mặt trời và được biến đổi thành sóng hấp dẫn. Lỗ đen là một thiên thể vô hình có trường hấp dẫn cực kỳ lớn nên ánh sáng cũng không thoát được ra ngoài.

Cặp lỗ đen này cách xa trái đất 1,3 tỷ năm ánh sáng. Tuy nhiên vị trí cuả lỗ đen chưa được xác định chính xác. Những thiết bị như LIGO sẽ cung cấp thêm tham số để xác định vị trí cuả sự kiện này. Sự phát hiện sóng hấp dẫn phát ra từ sự sáp nhập một cặp lỗ đen là một bằng chứng cụ thể cuả sự tồn tại cuả lỗ đen. Thiên thể vô hình này trước kia vẫn chỉ được coi là được tạo ra từ lý thuyết.

Sự phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn bằng máy giao thoa LIGO là thành tựu của cả một cộng đồng gồm có khoảng 1000 nhà khoa học làm việc trong 133 viện nghiên cứu toàn cầu.

RFI : Vụ nổ Big Bang có phát ra sóng hấp dẫn không ? Việc thu được các sóng này giúp ích được gì cho nghiên cứu khoa học vũ trụ như thế nào?

GS. Nguyễn Quang Riệu : Vụ nổ Big Bang đã phát ra một bức xạ vô tuyến được gọi là “bức xạ phông vũ trụ“ lan tỏa khắp không gian. Mô hình vũ trụ học tiên đoán là ngay sau khi được tạo ra từ vụ nổ Big Bang, vũ trụ nguyên thủy đã trải qua một thời đại “lạm phát”. Trong những khoảnh khắc đầu tiên, vũ trụ đột ngột phình ra rất to theo hàm mũ. Sau đó vũ trụ mới dãn nở và bành trướng đều cho tới ngày nay. Hiện tượng lạm phát nguyên thủy cũng tạo ra những gợn sóng hấp dẫn lan truyền trong không-thời gian.

Sóng hấp dẫn nguyên thủy tạo ra trong pha lạm phát đã để lại một dấu ấn trong bức xạ phông vũ trụ dưới dạng một bức xạ quang học phân cực có thể quan sát bằng kính viễn vọng. Tuy nhiên những hạt bụi rất phổ biến trong Ngân hà cũng phát ra bức xạ phân cực rất mạnh làm sự phát hiện bức xạ phân cực xuất phát từ sóng hấp dẫn trở nên phức tạp. Cho nên quan sát bức xạ phông vũ trụ nhằm phát hiện bức xạ phân cực phát ra từ sóng hấp dẫn cũng là một thách thức rất lớn.

Vũ trụ sơ sinh là một thế giới vi mô. Sự phát hiện ra sóng hấp dẫn phát ra trong khi vũ trụ nguyên thuỷ đang ở thời kỳ lạm phát sẽ giúp các nhà khoa học tìm ra được một kịch bản khả quan để mô tả sự tiến hoá cuả vũ trụ ở thuở sơ sinh.

Tuy nhiên, những kính viễn vọng đặt trên mặt đất và phóng lên không gian chuyên dò tìm bức xạ phân cực cuả sóng hấp dẫn nguyên thủy vẫn chưa đạt được kết quả. Ngoài những kính viễn vọng quang học và vô tuyến, sự phát hiện sóng hấp dẫn sẽ mở đường cho những phương pháp quan sát mới mẻ để khám phá vũ trụ bằng những máy dò sóng hấp dẫn.