Phát hiện đột phá sóng hấp dẫn tiết lộ tiếng ồn tĩnh lặng của vũ trụ

Sau 15 năm thu thập dữ liệu trong các thí nghiệm ở quy mô thiên hà, lần đầu tiên các nhà khoa học đã “nghe thấy” điệp khúc liên tục của sóng hấp dẫn gợn sóng trong vũ trụ của chúng ta—và nó to hơn mong đợi.

Tất cả các sóng này ngân nga và cộng hưởng với nhau, tạo ra một loại tiếng ồn vũ trụ được gọi là nền sóng hấp dẫn, đã được đưa ra giả thuyết từ lâu nhưng chưa từng được phát hiện trước đây. Những sóng này tràn ngập vũ trụ, liên tục lướt qua kết cấu không-thời gian xung quanh chúng ta. Chúng thực sự ở khắp mọi nơi — và giờ đây chúng tôi đã có xác nhận.

Những sóng hấp dẫn tần số cực thấp này có khả năng mở khóa một số câu đố hay nhất của Vũ trụ. Bằng cách điều tra những sóng này, các nhà khoa học hy vọng sẽ hiểu sâu hơn về sự hình thành và hành vi của các lỗ đen siêu lớn trong các hệ thống nhị phân, cũng như các sự kiện xảy ra trong thời kỳ sơ khai của Vũ trụ của chúng ta.

“Các kết quả được trình bày hôm nay đánh dấu sự khởi đầu của một kỷ nguyên mới trong việc khám phá Vũ trụ của chúng ta, khi chúng ta làm sáng tỏ một số bí ẩn của nó. Phân tích của chúng tôi cho thấy một tín hiệu nhất quán được quan sát thấy ở tất cả các pulsar trong mảng, cho thấy rằng đồng hồ vũ trụ này đang được tích tắc bởi sóng không-thời gian,” Giáo sư Alberto Vecchio, từ Viện Thiên văn học Sóng hấp dẫn của Đại học Birmingham cho biết.

Maura McLaughlin, đồng giám đốc của NANOGrav, một tổ chức hợp tác nghiên cứu đã công bố kết quả của nó cho biết: “Đây thực sự là lần đầu tiên chúng tôi có bằng chứng về chuyển động quy mô lớn này của mọi thứ trong vũ trụ”. Tạp chí vật lý thiên văn.

Nền tảng của sóng hấp dẫn là gì?

Sóng hấp dẫn là những nhiễu loạn trong kết cấu của không thời gian truyền ra ngoài từ nguồn của chúng với tốc độ ánh sáng. Chúng được tạo ra do gia tốc hoặc chuyển động của một vật thể lớn, chẳng hạn như lỗ đen, sao neutron hoặc thậm chí là sự hợp nhất của hai thực thể. Giống như một hòn đá tạo ra gợn sóng trong ao khi nó được ném xuống, các vật thể lớn tạo ra gợn sóng trong không thời gian khi chúng di chuyển, tạo ra sóng hấp dẫn.

Việc phát hiện ra sự tồn tại của sóng hấp dẫn là hệ quả trực tiếp của thuyết tương đối rộng của Einstein, mà ông đã xây dựng vào năm 1915. Trong lý thuyết mang tính đột phá này, Einstein đã đề xuất một cách hiểu mới về lực hấp dẫn là độ cong của không-thời gian do khối lượng và năng lượng gây ra. Theo thuyết tương đối rộng, các vật thể lớn, chẳng hạn như các ngôi sao và hành tinh, tạo ra độ cong trong không thời gian xung quanh chúng, ảnh hưởng đến chuyển động của các vật thể khác ở gần. Nhưng độ cong này có thể biểu hiện dưới dạng sóng hấp dẫn khi các vật thể này được gia tốc hoặc xáo trộn.

Bản thân Einstein ban đầu hoài nghi về sự tồn tại của sóng hấp dẫn, vì chúng có vẻ rất tinh vi và khó phát hiện. Tuy nhiên, ông đã dự đoán một cách toán học sự tồn tại của chúng và coi chúng là những hệ quả quan trọng trong lý thuyết của mình.

Chỉ hơn một thế kỷ sau, vào năm 2015, Đài quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) đã có khám phá mang tính đột phá về bằng chứng trực tiếp đầu tiên của sóng hấp dẫn.

Tuy nhiên, những gợn sóng vũ trụ mới được xác định này, được gọi là sóng hấp dẫn, lại hoàn toàn khác. Chúng mang một lượng năng lượng khổng lồ—lớn hơn khoảng một triệu lần so với sóng hấp dẫn phát ra từ các lỗ đen và các sao neutron hợp nhất được phát hiện trước đây bởi các thí nghiệm đoạt giải Nobel như LIGO và Virgo.

Và bởi vì nền ‘hum’ này hoạt động ở tần số thấp hơn nhiều, nên các phương pháp phát hiện có liên quan rất khác nhau.

Máy dò LIGO là một giao thoa kế lớn hình chữ L với hai nhánh vuông góc, mỗi nhánh dài khoảng 4 km (2,5 dặm). Chúng được đặt tại Livingston, Louisiana và Hanford, Washington. Nguyên tắc cơ bản đằng sau hoạt động của giao thoa kế này liên quan đến việc đo những thay đổi nhỏ trong độ dài tương đối của hai nhánh do sóng hấp dẫn truyền qua.

Tuy nhiên, để phát hiện âm thanh yếu ớt của sóng hấp dẫn nền, các nhà khoa học đã rất sáng tạo — và phải chờ đợi rất lâu.

Giữ thời gian với một ngôi sao đang chết

Để ghi lại những dao động khó nắm bắt do sóng hấp dẫn gây ra, các nhà khoa học sử dụng mảng định thời gian của sao xung, sử dụng nhiều kính viễn vọng vô tuyến để quan sát nhiều sao xung trong thời gian dài.

Pulsar là tàn dư nhỏ gọn còn sót lại sau cái chết của một vụ nổ sao lớn, được gọi là siêu tân tinh. Điều khiến chúng thực sự đáng chú ý là hành vi bất thường của chúng—phát ra một chùm bức xạ ổn định quét khắp vũ trụ với độ chính xác đáng kinh ngạc. Hãy coi chúng như những ngọn hải đăng vũ trụ thường xuyên sáng lên từ góc nhìn của bạn rồi mờ đi theo thời gian có thể đoán trước được.

Các mảng này đóng vai trò là máy chấm công vũ trụ, với tính đều đặn giống như đồng hồ bấm giờ của pulsar đóng vai trò là công cụ có giá trị. Nếu sóng hấp dẫn khiến không-thời gian giãn nở và co lại, thì chúng cũng sẽ ảnh hưởng đến tia chớp vô tuyến của ẩn tinh này.

Bằng cách khai thác sức mạnh tập thể của 25 pulsar, các nhà khoa học đã tạo ra một máy dò sóng hấp dẫn khổng lồ, trải rộng khắp thiên hà. Khi sóng vô tuyến pulsar truyền qua không gian và thời gian rộng lớn, sóng hấp dẫn tạo nên ảnh hưởng của chúng. Sự biến dạng này làm thay đổi thông tin đến mà chúng tôi phát hiện được.

Bằng cách so sánh độ trễ thời gian của nhiều cặp sao xung trong khoảng thời gian quan sát kéo dài 15 năm, các nhà thiên văn học có thể giải mã các dấu hiệu của sóng hấp dẫn tần số cực thấp.

Bốn nhóm, mỗi nhóm có trụ sở tại Châu Âu, Ấn Độ, Úc và Trung Quốc, đã trình bày những phát hiện của họ cùng một lúc, trong một bản phát hành dữ liệu phối hợp. Bản thân điều này rất đáng chú ý bởi vì có một động lực lớn để trở thành người đầu tiên ‘báo tin tức’ cho những khám phá khoa học có tác động lớn. Bằng cách phát hành tất cả các bài báo cùng một lúc, các nhà nghiên cứu đã thể hiện khả năng ngoại giao tuyệt vời và nêu bật tính chất liên ngành của công việc đầy thách thức này. Nó không phải là về một người đạt được tất cả thành công, mà là nhận ra rằng đây thực sự là nỗ lực của cả nhóm.

Trong số đó, NANOGrav nổi bật là tự tin nhất vào kết quả của họ. Họ đã thu thập dữ liệu trong 15 năm bằng cách sử dụng các kính viễn vọng vô tuyến như Kính thiên văn Green Bank ở Tây Virginia và Đài thiên văn Arecibo hiện đã bị sập ở Puerto Rico. Những sóng này thể hiện sự dao động với chu kỳ từ một đến mười năm, cung cấp một cái nhìn thoáng qua về nhịp điệu vũ trụ.

Sự trỗi dậy của một kỷ nguyên mới

Sẽ hơi khó hiểu khi bạn nhận ra rằng các nhà khoa học này thực sự đã hack toàn bộ thiên hà để hoạt động như những máy dò sóng hấp dẫn khổng lồ.

Mặc dù các kết quả được trình bày ngày hôm nay không đáp ứng tiêu chuẩn vàng khắt khe của khám phá khoa học — vốn yêu cầu xác suất xảy ra dưới một phần triệu — khám phá này vẫn là một khám phá vĩ đại. Các nỗ lực đang được tiến hành để kết hợp các bộ dữ liệu từ Mảng thời gian Pulsar châu Âu, Mảng thời gian Pulsar Ấn Độ, PPTA và NANOGrav, dưới biểu ngữ của Mảng thời gian Pulsar quốc tế.

Nỗ lực hợp tác này nhằm mục đích mở rộng mảng để bao gồm hơn 100 ẩn tinh, có khả năng dẫn đến xác nhận dứt khoát hơn về sóng hấp dẫn tần số cực thấp.

Những tác động không thể được đánh giá thấp. Sóng hấp dẫn mang thông tin về các vật thể và các sự kiện đã tạo ra chúng. Bằng cách phân tích các tính chất của các sóng này, các nhà khoa học có thể giải mã khối lượng, spin và động lực học quỹ đạo của các thiên thể tạo ra chúng, góp phần vào sự hiểu biết của chúng ta về thành phần và sự tiến hóa của vũ trụ. Chúng bao gồm sự hợp nhất và va chạm của các lỗ đen siêu lớn hoặc thậm chí toàn bộ thiên hà.

Một kỷ nguyên mới trong thiên văn học đã đến.

• Bộ dữ liệu 15 năm của NANOGrav: Bằng chứng về bối cảnh sóng hấp dẫn, Tạp chí vật lý thiên văn (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acdac6
• Gabriella Agazie và cộng sự, Bộ dữ liệu NANOGrav 15 năm: Quan sát và thời gian của 68 sao xung mili giây, Tạp chí vật lý thiên văn (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acda9a
• Gabriella Agazie và cộng sự, Tập dữ liệu NANOGrav 15 năm: Đặc tính của máy dò và ngân sách tiếng ồn, Tạp chí vật lý thiên văn (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acda88
• Adeela Afzal và cộng sự, Bộ dữ liệu NANOGrav 15 năm: Tìm kiếm tín hiệu từ Vật lý mới, Tạp chí vật lý thiên văn (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acdc91
• Giải thích vật lý thiên văn về nền sóng hấp dẫn từ các nhị phân kháng đen khổng lồ (được chấp nhận để xuất bản trong ApJL)
• Các ràng buộc Bayes đối với GW từ SMBHB riêng lẻ (được chấp nhận để xuất bản trong ApJL)