Phát minh thiết bị tìm ra sóng hấp dẫn, khám phá thời điểm Big Bang

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một máy dò nhỏ nhưng mạnh mẽ để tìm sóng hấp dẫn trong dải tần số ẩn.

Khai phá “vùng mù” sóng hấp dẫn

Cụ thể, các nhà khoa học tại Đại học Birmingham và Đại học Sussex (Anh) vừa công bố thiết kế máy dò sóng hấp dẫn siêu nhỏ có khả năng phát hiện sóng hấp dẫn trong dải tần milli-hertz (10⁻⁵ – 1 Hz) – một khoảng tần số mà trước nay nhân loại chưa từng quan sát được.

Phát hiện này đánh dấu một bước ngoặt lớn trong vật lý thiên văn, vì từ khi sóng hấp dẫn được Albert Einstein tiên đoán vào năm 1916, nhân loại mới chỉ có thể “nghe” được hai đầu của phổ tần.

Ở tần số cao, các đài quan sát khổng lồ như LIGO (Mỹ) hay Virgo (châu Âu) đã thành công trong việc ghi nhận những sóng phát ra khi hai hố đen hoặc sao neutron hợp nhất. Ở tần số cực thấp, các nhà khoa học sử dụng mạng xung pulsar (pulsar timing arrays) để phát hiện những tín hiệu kéo dài hàng năm trời.

Tuy nhiên, vùng giữa hai cực đó – gọi là dải milli-hertz – vẫn là một “vùng mù” suốt nhiều thập kỷ. Nguyên nhân nằm ở giới hạn kỹ thuật: Sóng hấp dẫn ở dải này có chu kỳ quá dài, khiến các giao thoa kế mặt đất như LIGO không thể đo được do bị nhiễu địa chấn và nhiễu trọng trường che lấp.

Trong khi đó, các đài quan sát không gian có thể hoạt động ổn định hơn lại chưa thể triển khai sớm, do chi phí và công nghệ yêu cầu vô cùng cao. Dự án lớn nhất hiện nay – LISA (Laser Interferometer Space Antenna) của Cơ quan Vũ trụ châu Âu – phải đến những năm 2030 mới dự kiến đi vào hoạt động.

Chính vì vậy, dải milli-hertz vẫn bị xem như “vùng tối của sóng hấp dẫn”, nơi mà những tín hiệu quan trọng của vũ trụ trôi qua mà con người không thể cảm nhận.

Nhưng nhóm nghiên cứu Anh quốc đã tìm ra một hướng đi mới. Thay vì mở rộng quy mô lên hàng kilomet như LIGO, họ thu nhỏ thiết bị, tận dụng các công nghệ siêu chính xác từ đồng hồ nguyên tử quang học – loại đồng hồ có sai số chưa tới một giây sau hàng chục tỷ năm.

Nhờ các buồng cộng hưởng quang học siêu ổn định, thiết bị có thể đo được biến đổi cực nhỏ trong tia laser khi sóng hấp dẫn đi qua. Dù nhỏ gọn – có thể đặt vừa trên một bàn thí nghiệm – máy dò này vẫn đạt độ nhạy đủ cao để phát hiện dao động của không-thời gian ở cấp độ nguyên tử.

Tiến sĩ Vera Guarrera, đồng tác giả từ Đại học Birmingham, chia sẻ: “Chúng tôi sử dụng công nghệ đã trưởng thành trong lĩnh vực đồng hồ nguyên tử quang học để mở rộng phạm vi phát hiện sóng hấp dẫn sang một dải tần hoàn toàn mới. Những thiết bị này đủ nhỏ để đặt trong phòng thí nghiệm, nhưng lại đủ mạnh để mở ra một cửa sổ mới nhìn vào vũ trụ”.

Nếu được triển khai, các thiết bị như vậy có thể được lắp đặt thành mạng lưới toàn cầu, phối hợp để xác định hướng đi và nguồn gốc của sóng hấp dẫn – điều mà trước đây chỉ có thể làm được bằng những công trình trị giá hàng tỷ USD.

Ý nghĩa đối với thiên văn học và khám phá vũ trụ

Việc đo được sóng hấp dẫn trong dải milli-hertz không chỉ là thành tựu kỹ thuật, mà còn là bước tiến mang tính nền tảng trong hiểu biết về vũ trụ. Bởi trong dải tần này ẩn chứa những tín hiệu mà hai đầu phổ tần còn lại không thể thu nhận được – giống như nghe được giai điệu mà trước đây tai người hoàn toàn bị điếc.

Dải milli-hertz được dự đoán là nơi sóng hấp dẫn từ hàng loạt hiện tượng thiên văn quan trọng phát ra: Các cặp sao lùn trắng quay quanh nhau trong dải Ngân Hà, có chu kỳ quay vài giờ; Các vụ hợp nhất hố đen siêu khối lượng, xảy ra khi hai thiên hà va chạm; Sóng hấp dẫn nền còn sót lại từ thời kỳ đầu của vũ trụ, có thể tiết lộ những bí mật về thời điểm Big Bang.

Theo giáo sư Xavier Calmet (Đại học Sussex), đây chính là “cánh cửa mở vào nguồn gốc vũ trụ”: “Với loại máy dò này, chúng ta có thể kiểm chứng các mô hình về sự hình thành sao đôi, nghiên cứu quá trình hợp nhất của các hố đen siêu lớn và thậm chí tìm kiếm tín hiệu từ thuở sơ khai của vũ trụ. Chúng ta có thể bắt đầu làm điều đó ngay trên mặt đất, mà không cần đợi đến khi các sứ mệnh không gian được phóng lên”.

Điều đó đồng nghĩa, nhân loại sẽ rút ngắn ít nhất một thập kỷ trong hành trình “nghe” được những rung động yếu ớt nhưng vô giá của không-thời gian. Các nhà khoa học có thể kiểm chứng giả thuyết về sự tiến hóa của thiên hà, hiểu rõ hơn về chu kỳ sống của sao lùn trắng, và đặc biệt là tìm manh mối cho thời kỳ lạm phát vũ trụ – giai đoạn vũ trụ giãn nở nhanh chóng chỉ vài phần nhỏ của giây sau Big Bang.

Bùi Tú