Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì sẽ xảy ra khi hai hố đen va chạm trong không gian sâu thẳm chưa? Làm thế nào để những thảm họa vũ trụ này ảnh hưởng đến kết cấu của chính không thời gian? Và chúng có thể cho chúng ta biết gì về bản chất của lực hấp dẫn và sự tiến hóa của các ngôi sao?
Bí ẩn vũ trụ gắn liền với câu hỏi này, mở ra những khía cạnh mới đầy hứa hẹn để tìm hiểu về tổ chức và sự phát triển của vũ trụ.
Xem thêm
Vũ trụ sẽ kết thúc như thế nào: Nghiên cứu mới cho thấy.
Bụi vũ trụ có thể tiết lộ những bí mật của sự sống ngoài Trái đất
Đây là một số câu hỏi mà các nhà khoa học hy vọng sẽ trả lời được bằng một đợt quan sát mới nhằm tìm kiếm sóng hấp dẫn – những gợn sóng trong không thời gian do các sự kiện dữ dội trong vũ trụ gây ra.
Hoạt động quan sát, được gọi là O4, được dẫn dắt bởi sự hợp tác LIGO-Virgo-KAGRA, bao gồm các nhà khoa học từ các tổ chức trên khắp thế giới. Nó sẽ sử dụng các máy dò được nâng cấp, bao gồm cả những máy do Đại học Cardiff phát triển, để quét bầu trời để tìm tín hiệu sóng hấp dẫn từ các vụ va chạm lỗ đen và các sự kiện vũ trụ cực đoan khác.
Sóng hấp dẫn là gì và tại sao chúng lại quan trọng?
Sóng hấp dẫn là những nhiễu loạn trong độ cong của không thời gian lan truyền dưới dạng sóng, truyền ra ngoài từ nguồn của chúng với tốc độ ánh sáng. Chúng đã được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng của Albert Einstein vào năm 1916, nhưng mãi đến năm 2015 chúng mới được phát hiện trực tiếp bởi các máy dò LIGO ở Mỹ. Kể từ đó, hơn 50 sự kiện sóng hấp dẫn đã được quan sát, chủ yếu là từ sự hợp nhất của lỗ đen và sao neutron – tàn tích dày đặc của các ngôi sao đã chết.
Sóng hấp dẫn rất quan trọng vì chúng cung cấp một phương pháp mới để quan sát vũ trụ, bổ sung cho bức xạ điện từ (chẳng hạn như ánh sáng) và các hạt (chẳng hạn như neutrino). Chúng có thể tiết lộ thông tin về các nguồn phát ra chúng, chẳng hạn như khối lượng, spin, khoảng cách và hướng của chúng. Chúng cũng có thể kiểm tra hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn và vật lý cơ bản, chẳng hạn như liệu lý thuyết của Einstein là đúng hay cần phải sửa đổi.
Sóng hấp dẫn được phát hiện như thế nào?
Việc phát hiện sóng hấp dẫn là vô cùng khó khăn vì chúng rất yếu và dễ bị che lấp bởi tiếng ồn từ nhiều nguồn khác nhau trên Trái đất và trong không gian.
Để phát hiện ra chúng, các nhà khoa học sử dụng giao thoa kế quy mô lớn – thiết bị chia chùm tia laze thành hai nhánh và kết hợp lại chúng sau khi phản xạ chúng khỏi gương. Khi một sóng hấp dẫn đi qua giao thoa kế, nó gây ra một sự thay đổi nhỏ trong chiều dài của các nhánh, được đo bằng cách so sánh các pha của các chùm kết hợp lại.
Sự hợp tác LIGO-Virgo-KAGRA vận hành ba giao thoa kế: hai máy dò LIGO ở Mỹ (ở Washington và Louisiana), một máy dò Virgo ở Ý và một máy dò KAGRA ở Nhật Bản. Các máy dò đã được nâng cấp kể từ lần chạy quan sát cuối cùng (O3) vào năm 2019-2020, với tia laser, gương, hệ thống treo và thiết bị điện tử được cải tiến.
Những nâng cấp này đã tăng độ nhạy của chúng lên khoảng 40%, cho phép chúng phát hiện tín hiệu sóng hấp dẫn từ các nguồn ở khoảng cách xa hơn nhiều – lên tới vài tỷ năm ánh sáng.
Kết quả mong đợi từ O4?
Quá trình quan sát O4 sẽ kéo dài khoảng một năm, bắt đầu từ đầu năm 2022. Trong thời gian này, các máy dò sẽ quét bầu trời liên tục để tìm tín hiệu sóng hấp dẫn từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như:
Phát hiện các vụ sáp nhập hai lỗ đen: O4 sẽ tìm kiếm tín hiệu sóng hấp dẫn từ các vụ sáp nhập lỗ đen, cho phép phát hiện và nghiên cứu các hiện tượng này với khối lượng gấp hàng trăm lần khối lượng mặt trời. Điều này sẽ cung cấp thông tin về cách tạo thành và tác động của các hố đen trong vũ trụ.
Phát hiện các vụ sáp nhập hai sao neutron: O4 cũng sẽ giúp phát hiện và nghiên cứu các vụ sáp nhập sao neutron, với khối lượng gấp ba lần khối lượng mặt trời. Việc hiểu về đặc tính và số phận của các ngôi sao neutron sẽ được mở rộng thông qua các phát hiện này.
Phát hiện các sự hợp nhất hỗn hợp: O4 có khả năng phát hiện các sự hợp nhất hỗn hợp, liên quan đến một lỗ đen và một ngôi sao neutron, với khối lượng gấp khoảng 100 lần khối lượng mặt trời. Điều này giúp khám phá kiểu tương tác mới giữa vật chất và lực hấp dẫn.
Phát hiện sóng hấp dẫn liên tục: O4 sẽ cung cấp cơ hội phát hiện sóng hấp dẫn liên tục từ các sao neutron đang quay và các hệ sao đôi có khối lượng gấp đôi khối lượng mặt trời. Sóng hấp dẫn này sẽ cung cấp thông tin về cấu trúc và động lực học bên trong của các nguồn này.
Phát hiện sóng hấp dẫn nền: O4 sẽ giúp phát hiện sóng hấp dẫn nền, phát ra từ sự chồng chất của nhiều tín hiệu từ các nguồn xa. Việc phát hiện sóng hấp dẫn nền sẽ giới hạn tốc độ và tính chất của các nguồn đóng góp vào nó.