Ý nghĩa của sóng hấp dẫn với khoa học và nhân loại

Hình minh hoạ hai lỗ đen sáp nhập vào nhau, tạo ra sóng hấp dẫn – Ảnh: Reuters/LIGO/Caltech/MIT

Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) bắt được tín hiệu sóng hấp dẫn từ hai lỗ đen va chạm nhau cách Trái đất 1,3 tỉ năm ánh sáng vào ngày 14-9-2015.

Trên thực tế, không nhiều thành tựu khoa học được đón nhận hào hứng như phát hiện sóng hấp dẫn. Bản chất của nghiên cứu này là gì và những đột phá khoa học nào khác nó có thể đem lại? 

Theo Space.com, việc phát hiện sóng hấp dẫn đã chứng minh bí ẩn cuối cùng trong thuyết tương đối rộng của thiên tài vật lý Albert Einstein, vấn đề khiến giới khoa học quốc tế đau đầu suốt 100 năm qua.

Vì vậy, các nhà khoa học khẳng định thành tựu lớn nhất của LIGO là trao cho nhân loại khả năng quan sát vũ trụ theo cách hoàn toàn mới mẻ. 

Cửa sổ mới nhìn ra vũ trụ

Việc loài người phát hiện sóng hấp dẫn được so sánh với cảnh người điếc đột nhiên nghe thấy âm thanh.

“Khám phá này giống như việc Galileo lần đầu tiên hướng kính thiên văn lên bầu trời – giáo sư vật lý thiên văn Vassiliki Kalogera thuộc ĐH Northwestern (Mỹ), thành viên dự án LIGO, khẳng định – Bạn giương tai lắng nghe những tín hiệu mới từ vũ trụ mà các công nghệ trước đây của chúng ta không thể bắt và nghiên cứu được”. 

Đài LIGO được thiết kế để bắt sóng hấp dẫn xuất phát từ những tương tác dữ dội nhất trong vũ trụ, ví dụ như một ngôi sao nổ tung hay hai thiên thể cực lớn va chạm nhau. LIGO có khả năng định vị các thiên thể và sự kiện này trước khi kính thiên văn dựa vào ánh sáng làm được điều đó.

Trong một số trường hợp, đài quan sát sóng hấp dẫn là công cụ duy nhất tìm kiếm và nghiên cứu.

Ví dụ, việc LIGO phát hiện hai lỗ đen va chạm nhau đã là một cột mốc khoa học lớn. Lỗ đen là vật thể rất bí ẩn trong vũ trụ, có lực hấp dẫn mạnh đến mức ánh sáng cũng không thể thoát ra.

Đến nay, giới khoa học mới chỉ “quan sát” được lỗ đen bằng cách nghiên cứu tương tác hấp dẫn của chúng hoặc hoạt động của các vật chất ở gần chúng. 

Và cũng không ai biết liệu lỗ đen có sáp nhập vào nhau để tạo ra lỗ đen lớn hơn hay không. Nhưng giờ LIGO đã cung cấp bằng chứng cụ thể. Hai lỗ đen do LIGO tìm thấy có khối lượng lớn gấp 29 và 36 lần Mặt trời của chúng ta.

Giám đốc LIGO David Reitze của Viện Công nghệ California (Caltech) khẳng định LIGO sẽ ngày càng nhạy hơn, do đó có thể tìm thấy các lỗ đen có khối lượng lớn gấp 100, 200, thậm chí 500 lần Mặt trời. 

Trước đây, các nhà thiên văn học nghiên cứu vũ trụ bằng ánh sáng nhìn thấy được, tia X, sóng radio, tia cực tím, hồng ngoại, tia gamma…

Tuy nhiên, các sóng điện từ này tương tác với vật chất khi di chuyển trong không gian, do đó chỉ tiết lộ cho con người một phần bức tranh vũ trụ.

Ngược lại, sóng hấp dẫn không tương tác với vật chất, do đó mang theo nguồn thông tin cực kỳ phong phú về các thiên thể.

Câu trả lời tối hậu

“Nếu một vụ nổ sao (supernova) xảy ra trong ngân hà hoặc một thiên hà kế cận, chúng ta sẽ quan sát được những diễn biến bên trong nó” – giáo sư Rainer Weiss thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), thành viên sáng lập LIGO, cho biết.

Với sóng hấp dẫn, giới khoa học cũng hi vọng sẽ nghiên cứu được các sao neutron va chạm nhau. Sao neutron là tàn tích của các ngôi sao lớn, có mật độ cực lớn.  

Một muỗng vật chất sao neutron nặng khoảng 1 tỉ tấn trên Trái đất. Các nhà khoa học không biết rõ điều gì xảy ra với vật chất thông thường trong môi trường cực độ như vậy, nhưng sóng hấp dẫn có thể cung cấp thông tin quý giá về lõi sao neutron.

Giáo sư Reitze cho rằng bằng các loại sóng điện từ cộng với sóng hấp dẫn, chúng ta có thể quan sát được “bức tranh toàn cảnh” của các hiện tượng vũ trụ. 

Sóng hấp dẫn cũng có thể giải mã bí ẩn của vật chất tối. Đây là nguyên nhân khiến vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh và chiếm hơn 2/3 tổng khối lượng vũ trụ.

Hiện tại chúng ta không biết vật chất tối là gì, nhưng báo Guardian dẫn lời giáo sư BS Sathyaprakash thuộc ĐH Cardiff, thành viên LIGO, nhận định với sóng hấp dẫn, giới khoa học có thể xác định được bản chất của vật chất tối trong 10-15 năm nữa. 

Chưa hết, sóng hấp dẫn cũng có thể trở thành công cụ quan trọng để giới khoa học tìm hiểu những gì đã xảy ra ở khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi ngay sau Vụ nổ lớn (Big Bang).

“Nếu sóng hấp dẫn được sản sinh ra ở thời điểm đó và đủ mạnh, chúng có thể mang theo dấu vết của thứ đã tạo ra vũ trụ. Đó sẽ là câu trả lời tối hậu” – giáo sư Sathyaprakash lạc quan. 

Di sản cho tương lai

Giáo sư Reitze tiết lộ trong ba năm tới, đội ngũ LIGO sẽ nỗ lực tối đa để tăng độ nhạy của các thiết bị đo laser LIGO. Khi đó, hai máy đo LIGO ở Louisiana và Washington (Mỹ) sẽ còn nhạy cảm hơn nữa với sóng hấp dẫn.

Chưa thể biết LIGO có thể quan sát được những hiện tượng nào nữa trong vũ trụ. Khi được hỏi về tác động của LIGO bên ngoài cộng đồng khoa học, giáo sư Reitze thành thật trả lời: “Ai mà biết được?”.

“Khi Einstein công bố thuyết tương đối rộng, ai mà dự đoán được rằng chúng ta sẽ sử dụng nó hằng ngày khi bật điện thoại di động lên” – ông Reitze nói.

Thuyết tương đối rộng giúp làm sáng tỏ cách lực hấp dẫn ảnh hưởng đến thời gian và thông tin này rất cần thiết đối với công nghệ định vị toàn cầu (GPS).

Công nghệ này dùng các vệ tinh nằm trên những quỹ đạo cách xa lực kéo hấp dẫn của Trái đất. Một ví dụ nữa là thuyết tương đối của Einstein giúp loài người phát triển năng lượng hạt nhân. 

Giáo sư Reitze mô tả LIGO là công cụ khoa học “nhạy cảm nhất từng được tạo ra”. Do đó, công nghệ làm nên LIGO có thể đem lại các ứng dụng lớn trong cuộc sống mà chúng ta không thể dự đoán trước được.

“Khi nhìn lại thời kỳ Phục hưng, chúng ta đặt câu hỏi con người ở thời kỳ đó đã đem lại những gì cho thế giới hôm nay. Tất cả mọi người đều đồng ý rằng đó là nghệ thuật, kiến trúc và âm nhạc tuyệt vời” – giáo sư Kip Thorne của Caltech nhận định. 

“Tương tự, khi hậu duệ của chúng ta nhìn lại thời kỳ này, họ cũng đặt câu hỏi chúng ta làm được những gì quan trọng cho họ. Câu trả lời là sự hiểu biết về các luật cơ bản trong vũ trụ, khả năng khám phá vũ trụ.

LIGO và ngành thiên văn học đóng vai trò lớn trong câu trả lời đó. Đó là món quà cho thế hệ tương lai, vĩ đại hơn bất kỳ công nghệ nào. Chúng ta cần phải tự hào vì những gì chúng ta đem lại cho con cháu” – giáo sư Thorne khẳng định.