Sóng hấp dẫn là công cụ để nhìn sâu vào vũ trụ
Sóng hấp dẫn cũng không có những hiện tượng khúc xạ, phản xạ… như đối với sóng điện từ.
Nhờ thế, thông tin mà sóng hấp dẫn mang lại là tuyệt đối chính xác.
Khắc phục yếu điểm của sóng điện từ
Cho tới nay, mọi quan sát của chúng ta vào vũ trụ đều dựa trên cơ sở sóng điện từ. Sóng điện từ là dòng chuyển động của các hạt không khối lượng và không điện tích được gọi là các photon, với nhiều bước sóng khác nhau.
Mắt của chúng ta có khả năng ghi nhận và giải mã một phần của dải bước sóng này thành hình ảnh và màu sắc. Vì thế, chúng ta gọi dải bước sóng điện từ đặc biệt đó là ánh sáng (hay đầy đủ hơn là ánh sáng biểu kiến).
Trong vũ trụ, mọi vật thể đều phát ra sóng điện từ, nhưng không phải tất cả đều phát ra bước sóng biểu kiến để chúng ta có thể nhìn thấy trực tiếp. Một số khác ở quá xa khiến chúng ta không thể ghi nhận được ánh sáng biểu kiến tới từ chúng.
Vì thế, các nhà thiên văn sử dụng nhiều công cụ khác nhau để ghi nhận bức xạ điện từ ở mọi bước sóng - từ tia gamma, tia X, tử ngoại, biểu kiến, hồng ngoại, vi sóng và vô tuyến - để thu được thông tin một cách đầy đủ nhất có thể về các sao, cụm sao hay thiên hà trong vũ trụ.
Điểm hạn chế của bức xạ điện từ mà chúng ta vẫn dựa vào trong suốt hàng thế kỷ qua là ở chỗ: Cũng như những tính chất cơ bản của ánh sáng mà bạn hẳn đã biết từ lâu, mọi bức xạ điện từ khác cũng có những hiện tượng như phản xạ, khúc xạ, tán xạ.
Những hiện tượng này có thể khiến cho hình ảnh mà chúng ta thu được không hoàn toàn trung thực, có nghĩa là không phản ánh được chính xác về đối tượng.
Chẳng hạn, khi ánh sáng từ một ngôi sao đi vào khí quyển của Trái đất, nó sẽ bị khúc xạ và tán xạ, thậm chí một phần phản xạ ngược trở lại không gian. Điều đó khiến cho bức xạ mà các kính thiên văn thu được không hoàn chỉnh.
Tương tự như việc khi Mặt trăng hoặc Mặt trời ở gần chân trời hơn thì chúng ta thấy chúng hơi có màu đỏ do ánh sáng phải đi qua lớp khí quyển dày hơn.
Một trong những cách để hạn chế được việc này là đưa các kính thiên văn ra ngoài khí quyển Trái đất. Chúng ta gọi đó là những chiếc kính thiên văn không gian.
Những đài quan sát không gian này không thể có kích thước lớn với nhiều thiết bị quá phức tạp như nhiều đài mặt đất, nhưng bù lại chúng có một góc nhìn rộng hơn và tránh được sự sai lệch của các tia sáng khi đi qua khí quyển.
Nhưng ngay cả như vậy, vấn đề về các hiệu ứng có thể xảy ra với bức xạ điện từ cũng không hẳn là đã được giải quyết. Ánh sáng từ các nguồn rất xa trong vũ trụ không chỉ bị khúc xạ hoặc tán xạ do khí quyển Trái đất.
Bản thân không gian liên sao và liên thiên hà không phải hoàn toàn trống rỗng. Chúng vẫn chứa nhiều hạt cơ bản, từ những electron hay proton tự do cho tới các nguyên tử và phân tử khí, mặc dù mật độ thấp hơn trong khí quyển của chúng ta rất nhiều.
Nhiều vùng tạo sao hoặc khí và bụi ở các đĩa bồi tụ trải ra rất rộng từ các sao hay cụm sao cũng chính là những môi trường có thể khiến ánh sáng từ những thiên hà hoặc những ngôi sao xa xôi hơn bị biến đổi trước khi tới với các kính thiên văn của chúng ta.
Hiển nhiên, những thiết bị được chế tạo cực kỳ tinh vi ngày nay kết hợp với những tính toán chi tiết của các nhà khoa học có thể cho phép loại trừ hầu hết những sai số như vậy.
Nhưng “hầu hết” thì vẫn chưa phải tất cả. Sẽ tuyệt hơn nhiều nếu như có một cách thứ hai để chúng ta nhìn sâu vào vũ trụ. Sóng hấp dẫn chính là cách thứ hai mà các nhà khoa học đã tìm ra.
Cánh cửa mở ra tầm nhìn mới
Tháng 8/2017, hai đài quan sát sóng hấp dẫn là LIGO và Virgo đã cùng quan sát được sóng hấp dẫn phát ra từ một vụ sáp nhập của hai sao neutron cách chúng ta khoảng 130 triệu năm ánh sáng, trong thiên hà NGC 4993, nằm ở phía Nam của chòm sao Hydra.
Vụ sáp nhập này đồng thời gây ra một vụ bùng sáng dữ dội mà các nhà khoa học gọi là một vụ nổ tia gamma (viết tắt là GRB). Bức xạ điện từ từ vụ nổ này cũng đã được ghi nhận bởi kính thiên văn không gian tia gamma Fermi của NASA và vệ tinh INTEGRAL của châu Âu.
Điều đáng chú ý là mặc dù ở khoảng cách xa như vậy, nhưng ghi nhận về sóng hấp dẫn và sóng điện từ phát ra từ sự kiện này là gần như đồng thời (chỉ lệch nhau hơn 1 giây).
Điều đó chứng minh cho dự đoán ngay từ đầu của Einstein rằng sóng hấp dẫn cũng dịch chuyển trong không gian với vận tốc ánh sáng. Xác nhận này đã thu hút sự chú ý của các nhà thiên văn trên khắp thế giới, và sóng hấp dẫn lập tức trở thành một cánh cửa mở ra tầm nhìn mới cho chúng ta vào vũ trụ.
Khác với sóng điện từ, sóng hấp dẫn không hề bị cản lại bởi bất cứ môi trường nào. Nó không phải là sự dịch chuyển của một dòng vật chất, mà nó truyền đi sự biến dạng của chính bản thân không - thời gian.
Vì vậy, nó không thể bị cản lại hay làm chậm bởi bất cứ loại vật chất nào, bất kể thành phần và mật độ. Điều đó giống như bản chất của lực hấp dẫn mà các nhà khoa học đã biết tới từ rất lâu, ngay cả khi không cần tới cách mô tả của thuyết tương đối rộng.
Mọi quan sát và thực nghiệm đều chứng minh rõ ràng rằng lực hấp dẫn không bao giờ bị cản lại. Giữa hai vật bất kỳ luôn có một lực hấp dẫn có độ lớn tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng, bất kể có thứ gì chen giữa chúng hay không.
Đồng thời, sóng hấp dẫn cũng không có những hiện tượng khúc xạ, phản xạ… như đối với sóng điện từ. Nhờ thế, thông tin mà sóng hấp dẫn mang lại là tuyệt đối chính xác, không thể có sai lệch hay hiểu nhầm.
Tất nhiên, loại bức xạ đặc biệt này vẫn có điểm hạn chế so với sóng điện từ. Với việc truyền đi chính sự biến dạng của không - thời gian, nó chỉ có thể cho phép các nhà khoa học ngoại suy ra khối lượng và các chuyển động của nguồn phát. Nó không thể giúp họ tìm hiểu về đặc điểm cấu tạo hay độ sáng của các sao và thiên hà - vốn là đặc trưng của quang phổ điện từ.
Mặt khác, sóng hấp dẫn rất yếu ớt. Để có thể quan sát được nó, các thiết bị thu sẽ cần phải phát triển sang một thế hệ mới để có thể thu được những gợn sóng cực nhỏ phát đi từ những sự kiện ít mạnh mẽ hơn trong vũ trụ, như là chuyển động quỹ đạo của các cặp sao cỡ Mặt trời, hay sự tạo thành các sao lùn trắng vào cuối đời những sao như vậy.
Việc kết hợp quan sát thông qua cả sóng hấp dẫn và sóng điện từ cũng giống như việc chúng ta tiếp nhận thông tin cùng lúc từ hai nguồn khác nhau để đối chiếu và có được những góc nhìn đầy đủ về cùng một sự việc.
Các nhà thiên văn trên khắp thế giới đều đang rất kỳ vọng vào viễn cảnh này. Họ gọi kỷ nguyên mới đang tới đó là kỷ nguyên của Thiên văn học đa nguồn tin (Multi-messenger Astronomy).
