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

So với mỗi tuần một lần hoặc lâu hơn như trước đây, lần nâng cấp giúp cho đài quan sát phát hiện tín hiệu từ các vụ va chạm giữa các lỗ đen mỗi hai đến ba ngày một lần.

Các vật thể khối lượng lớn, di chuyển nhanh tạo ra sóng hấp dẫn mà LIGO phát hiện. Khi chúng di chuyển, loại sóng này kéo giãn kết cấu của không gian. Đài quan sát đã ghi lại khoảng 90 sự kiện sóng hấp dẫn kể từ khi LIGO bắt đầu hoạt động vào năm 2015, phần lớn trong số đó 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

Hai máy dò hoặc giao thoa kế được lắp đặt ở Washington và Louisiana tạo nên LIGO. Giao thoa kế chia một chùm tia laser thành hai và phản chiếu chúng qua lại giữa hai gương, được đặt ở hai đầu của hai ống chân không dài. Mỗi đường ống dài 4 km được xếp vuông góc thành hình chữ L. Có một cảm biến ở góc giao giữa 2 đường ống.

Dao động của các chùm tia sẽ triệt tiêu lẫn nhau trong trường hợp không có bất kỳ nhiễu loạn nào đối với không gian. Tuy nhiên, khoảng cách giữa các chùm tia ở hai đường ống phải di chuyển để không gian không bị kéo giãn bởi sóng hấp dẫn, nếu không các chùm tia sẽ không chồng lên nhau 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. Cách ly hệ thống khỏi tiếng ồn phát ra từ môi trường và từ tia laser là cần thiết để cảm biến có thể ghi lại những thay đổi nhỏ như vậy.

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

Các nhà khoa học đã giảm tiếng ồn bằng một phương pháp được gọi là "bóp ánh sáng" trong đợt nâng cấp trước khi đài quan sát vận hành trong giai đoạn 2019–2020.

Mục tiêu của kỹ thuật này là giảm bớt tiếng ồn do bản thân ánh sáng laser tạo ra. Ánh sáng được tạo thành từ các hạt riêng lẻ, vì vậy 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" làm giảm hiệu ứng này bằng cách đưa một chùm tia laser phụ trợ vào giao thoa kế với các photon đều hơn và ít nhiễu hơn. Theo Lee McCuller, nhà vật lý tại Viện Công nghệ California.

Khó có phép đo hoàn hảo

Tuy nhiên, do các quy luật kỳ lạ của cơ học lượng tử, việc giảm độ bất định về thời gian đến của photon làm tăng các dao động ngẫu nhiên trong cường độ của sóng laser. Do đó, các tia laser đẩy các gương giao thoa kế và làm gương rung lắc, làm giảm độ nhạy của chúng đối với sóng hấp dẫn tần số thấp.

Theo Nergis Mavalvala, nhà vật lý thực nghiệm tại MIT, "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."

Trong quá trình va chạm và sáp nhập thành một, mô phỏng hai lỗ đen. Ảnh: NASA'S Goddard Space Flight Center.

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

Các nhà nghiên cứu sẽ có thể trích xuất dữ liệu kỹ lưỡng 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, nhờ cải tiến lần này. Điều này có nghĩa là thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, dự đoán sự tồn tại của cả lỗ đen và sóng hấp dẫn, sẽ được kiểm tra kỹ lưỡng hơn bao giờ hết.

Các nhà vật lý thiên văn cũng dự đoán rằng sóng hấp dẫn sẽ tiết lộ các loại tín hiệu bổ sung 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. Ngoài ra, các nhà khoa học dự đoán sẽ tìm thấy sóng hấp dẫn từ bề mặt của một pulsar, một sao neutron đang quay phát ra xung bức xạ.

Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống