[Sunnata]

Cách hoạt động của LIGO - thiết bị khổng lồ có hình chữ L

Sơ lược cấu tạo của máy dò LIGO

Theo nhà nghiên cứu Fred Raab, lãnh đạo phòng thí nghiệm tại LIGO tại Hanford thì trong quá trình tìm kiếm sóng hấp dẫn "hầu hết các hoạt động diễn ra bằng điện thoại." Hàng tuần có một cuộc họp để thảo luận dữ liệu và mỗi 2 tuần có thêm một cuộc họp để phối hợp dữ liệu thu được từ 2 máy dò với sự cộng tác của các nhà nghiên cứu đến từ Úc, Ấn Độ, Đức, Anh,... Raab cho biết: "Khi thức dậy vào lúc nửa đêm, cái chúng ta tôi mơ đều là máy dò. Các bạn có thể hiểu được sự thân quen của nó đối với chúng tôi."

Và cách dò của Weiss đề xuất hoàn toàn khác với cách của Weber và nói nôm na chính là một đài quan sát dạng chữ L. Có thể hình dung rằng nó giống như 2 người đang nằm trên sàn nhà, đầu chụm lại và phần cơ thể mở ra để hình thành nên một góc. Khi sóng hấp dẫn chạm vào, một người sẽ được nâng cao lên và người kia sẽ bị nhấn xuống. Một lát sau, điều ngược lại sẽ xảy ra. Và dựa theo ý tưởng này, Weiss đã phát triển nên một thiết bị với kích cỡ cực lớn để theo dõi sự chênh lệch độ cao giữa 2 nhánh của chữ L.

Để đảm bảo độ chính xác của LIGO, Weiss đã sử dụng ánh sáng như một chiếc thước đo. Weiss đã cho đặt bộ tia laser vào trong chỗ gấp khúc của chữ L và nó sẽ phát ra tia laser chạy dọc theo chiều dài của mỗi ống. Tia laser này sẽ chiếu vào một cái gương đặt ở cuối đầu ống, sau đó phản xạ lại máy dò. Tốc độ của ánh sáng di chuyển trong lòng ống là cố định nên không cần biết là nó dài bao nhiêu, chỉ cần đảm bảo không có không khí lọt vào bên trong thì ở điều kiện bình thường, 2 tia phản xạ lại sẽ cùng gập nhau ở góc chữ L. Khi có sóng hấp dẫn bước vào, chiếc gương và tia laser sẽ bị xô lệch đi một chút, dẫn tới sự mất đồng bộ khi phản xạ lại và đây chính là tín hiệu mà người ta tìm kiếm.

Tuy nhiên, trên đây chỉ là ý tưởng mà Weiss đã viết trong một báo cáo vào mùa xuân năm 1972 và thật sự nó chưa bao giờ được công bố rộng rãi. Tuy nhiên, theo Kip Thorne, giáo sư danh dự tại Caltech thì đây là một trong những tờ giấy vĩ đại nhất từng được viết ra. Tuy nhiên, ban đầu Thorne đã xem nhẹ thiết kế của Weiss và thậm chí ông còn từng ra bài tập cho sinh viên của ông, yêu cầu chứng minh rằng việc đo lường sóng hấp dẫn bằng laser kế là phi lý.

2 người đàn ông trong cùng một phòng khách sạn - cuộc nói chuyện định mệnh giữa đêm khuya

Nhà vật lý học Rainer Weiss và giáo sư Kip Thorne, 2 người có công lớn trong quá trình phát triển LIGO

Dù vậy, Thorne đã nhanh chóng thay đổi quan điểm khi ông có cuộc gặp gỡ với Weiss vào năm 1975, khi 2 người cùng được mới tới một cuộc trao đổi do NASA tổ chức. Vào đêm đó, 2 người đàn ông đã nói chuyện với nhau. Weiss hồi tưởng lại: "Tôi không nhớ nó đã xảy ra như thế nào nhưng chúng tôi đã ở chung phòng vào đêm đó. Chúng tôi đã ngồi với nhau trên một chiếc bàn nhỏ, cùng nhau viết nên những tờ phác thảo và các phương trình. Không có nhiều người trên thế giới này có thể nói chuyện như Thorne, nói về cái mà cả 2 đều suy nghĩ trong nhiều năm nay."

Và sau cuộc nói chuyện định mệnh đó, Weiss đã trở về MIT và chế tạo nên một phiên bản nhỏ của máy dò với mỗi đường ống dài 1,5 mét để thử nghiệm. Tuy nhiên, lãnh đạo tại MIT và một số đồng nghiệp của ông lại không đánh giá cao nghiên cứu của ông. Trong đó có cả Phillip Morrison, một nhà vậy lý thiên văn vốn có sức ảnh hưởng lớn trong giới vốn cho rằng lỗ đen không tồn tại, cũng tỏ ra không chú ý tới Weiss. Thật ra vào thời điểm đó thì đa số ý kiến cũng không tin là lỗ đen tồn tại bởi đó cũng chỉ là một hiện tượng giả thuyết, đồng thời nếu có thì sóng hấp dẫn do nó phát ra cũng rất yếu nên Morrison không tin rằng thiết bị của Weiss có thể phát hiện được.

Tuy nhiên, Thorne đã bị Weiss dụ thành công. Vào năm 1981, một nguyên mẫu thiết bị dò đã được Thorne chế tạo ở Caltech với 2 ống dò dài tới 40 mét. Đồng thời, một nhà vật lý người Scotland đã theo dõi toàn bộ quá trình và ông tiến hành cải thiện thiết kế ban đầu của Weiss.

Vào năm 1990, sau 1 năm nghiên cứu, nhóm 3 người là Weiss, Thorne và Drever đã cùng nhau thuyết phục quỹ khoa học quốc gia (NSF) để tài trợ xây dựng LIGO. Tổng chi phí ước tính của dự án là khoảng 272 triệu đô la, số tiền nhiều hơn bất cứ nghiên cứu nào được tài trợ bởi quỹ này. Và điều này lại tiếp tục là một cuộc chiến khi mà nhiều nhà khoa học cho rằng dự án LIGO rồi cũng chẳng đi tới đâu và cuối cùng chỉ là phí tiền. Khi đó giám đốc của NSF là Rich Isaacson đã rất đắn đó xem có nên tài trợ cho dự án hay không.

Rich Isaacson cho biết: "Nó không nên được xây dựng. Một vài thiết bị điên khùng chạy xung quanh nhưng không có tín hiệu nào được phát hiện, đồng thời nó còn phải sử dụng những thiết bị tạo chân không, triệt tiêu xung động địa chấn, hệ thống phản hồi... và có những thứ mà chưa bao giờ được phát minh ra." Tuy nhiên, may mắn là Isaacson đã từng viết một nghiên cứu về bức xạ hấp dẫn và ông tin rằng LIGO có thể là chìa khóa của vấn đề. Sau quá trình thuyết phục day dẳn, cuối cùng thì dự án cũng được chấp nhận và khởi công vào năm 1994.

Xây LIGO: ống chân không tinh khiết nhất thế giới, thiết bị đo nhạy nhất thế giới và còn nhiều cái nhất nữa,...

Các nhà khoa học đang làm việc bên trong đường ống dẫn của LIGO

Thật ra chuyện chưa dừng lại ở đó và người ta phải mất nhiều năm tiếp theo để phát triển đầy đủ những thiết bị dò nhạy nhất trong lịch sử nhân loại với khả năng không bắt được bất cứ thứ gì khác ngoài sóng hấp dẫn. Đơn cử việc rút không khí ra khỏi ống đã mất hết 40 ngày và kết quả là một ống chân không tinh khiết nhất từng được tạo ra trên Trái Đất. Chưa hết, người ta còn phải tìm cách loại bỏ ảnh hưởng của gió, của sóng biển, biến động trong lưới điện, nhiễu jitter của bản thân các nguyên tử, các cơn bão, sấm sét từ rất xa,... vốn có thể làm sai lệch kết quả đo, gây nhầm lẫn với sóng hấp dẫn.

Các thiết bị đều được kiểm tra cẩn thận trong điều kiện tuyệt đối vô trùng

Tất cả mọi thứ đều được loại bỏ hoặc kiểm soát tuyệt đối. Một hệ thống giảm sốc cực nhạy được trang bị cho gương phản chiếu để triệt tiêu các chấn động địa chấn. Các hệ thống cảm biến nhận diện chuyển động gây nhiễu của xe cộ, máy bay, động vật,... cũng được trang bị để tạo nên thứ tinh khiết nhất trên hành tinh này. Nếu được lựa chọn thì có lẽ đây là một trong những nơi yên tĩnh nhất hành tinh chúng ta.

Weiss chia sẻ: "Có hàng chục ngàn thứ, tôi nhấn mạnh là hàng chục ngàn thứ cần phải được kiểm soát. Mọi thứ đều phải được thực hiện một cách hoàn hảo nhất để không gì có thể gây nhiễu tín hiệu. Khi cần tiến hành tinh chỉnh, chúng tôi phải làm việc trong một căn phòng cực kỳ sạch sẽ, khử trùng tất cả mọi thứ, mặc những bộ đồ đảm bảo kín 100% bởi dù một tế bào da hoặc một hạt bụi nhỏ cũng vô tình phá hủy thí nghiệm."

Bên trong khu vực điều hành của LIGO

Cuối cùng vào năm 2001, phiên bản đầu tiên của LIGO đã chính thức đi vào hoạt động. Và trong 9 năm tiếp theo đó, các nhà khoa học liên tục theo dõi hiệu suất hoạt động của các thiết bị, đồng thời không ngừng cải thiện thuật toán phân tích dữ liệu của họ. Bên cạnh đó, 2 phòng thí nghiệm tại Caltech và cơ sở ở Đức liên tục phát triển những thiết bị mới, nâng cao độ nhạy của gương, laser, các công nghệ loại bỏ địa chấn, khử nhiễu,... để ngày càng hoàn thiên LIGO. Tới năm 2010, LIGO tạm dừng hoạt động để nâng cấp trong 5 năm với tổng chi phí 200 triệu đô la. Sau lần nâng cấp này, khả năng của LIGO đã được nâng lên gấp hàng nghìn lần so với trước đó.

Kiểm tra chất lượng quang học của thấu kính trong LIGO, giá mỗi cái chỉ có nửa triệu đô la

Tính riêng cái gương thôi đã rất kỳ công rồi. Mỗi bộ phận gương chỉ rộng khoảng 30 cm, nặng gần 40 kg và mỗi inch vuông trên đó được đánh bóng hàng trăm triệu lần để đảm bảo tạo ra một chiếc gương cầu hoàn hảo. Tiết lộ nhỏ thôi, mỗi chiếc có giá khoảng nửa triệu đô la để hoàn thành. Ban đầu thì những chiếc gương này được treo lên bằng dây thép nên mặc dù đã được xử lý giảm chấn nhưng vẫn chưa hoàn hảo. Sau lần cập nhật, người ta đính nó vào một hệ thống con lắc để hoàn toàn cách ly nó khỏi các chấn động.

Thành công

Vào ngày 13/9, các nhà khoa học vẫn còn dành ra suốt một ngày để tiến hành các bài test thiết bị trong LIGO. Gần như tất cả mọi bài test đều hoàn thành nhưng muộn hơn dự kiến, vẫn còn bài kiểm tra mô phỏng một chiếc xe tải nhấn phanh ở gần máy dò chưa làm, tuy nhiên vào 4 giờ sáng, nhóm vận hành quyết định đóng máy đi về, để cho LIGO tiếp tục tự thu thập dữ liệu. Không lâu sau đó, vào 4:50 theo giờ địa phương, một tín hiệu đã chạy qua 2 máy dò trong khoảng thời gian chưa tới 7 mili giây mỗi cái. Đó là thời điểm chỉ 4 ngày sau khi LIGO chính thức vận hành trở lại.

Giáo sư Reitze cho biết: "Thật sự thì việc kết quả đến sớm như vậy sẽ dẫn tới không ít hoài nghi bởi máy mới vừa được hoạt động trở lại không lâu. Tôi từng nói với mọi người rằng chúng ta sẽ không tìm thấy gì cho tới năm 2017 hoặc 2018 đâu." Nhưng rồi sau khi kiểm tra lại, kết quả đó thật sự là thật. Janna Levin, một giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Columbia, người không thuộc nhóm LIGO nhưng đã ngạc nhiên chia sẻ: "Khi tin đồn bắt đầu loan đi, tôi đã nhủ rằng Đến đi nào. Tín hiệu gần như quá hoàn hảo. Phần lớn chúng ta đều tin rằng nó là hoàn hảo khi mà đã có rất, rất nhiều máy tính, rất nhiều tính toán được tiến hành để tách nó ra khỏi nhiễu âm."

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại LIGO đã lập hẳn một đội ngũ khách quan kiểm chứng lại kết quả này. Mặc dù rất tin tưởng vào kết quả, nhưng nhóm 4 thành viên này phải xem như mù, độc lập kiểm tra lại rất nhiều lần kết quả thu được và cuối cùng, họ xác nhận rằng các sóng hấp dẫn này đến từ đâu đó ở chòm sao Đại Khuyển (Canis Major). Dù vậy, họ vẫn chưa công bố vội và vẫn tiếp tục củng cố bằng chứng. Thậm chí, họ tự đặt ra câu hỏi rằng "có phải ai đó trong nhóm đã làm giả tín hiệu mà chúng ta không biết?". Và công tác kiểm chứng cứ tiếp tục cho tới khi các nhà khoa học đều tin rằng không một ai có thể qua mặt được các tính toán thực hiện bởi các hệ thống mạnh mẽ và những thuật toán chính xác thuộc hàng nhất thế giới này.

Nhóm quyết định lập hồ sơ tuyên bố kết quả, bao gồm cả nêu rõ cách họ canh chỉnh thiết bị, chia sẻ mã nguồn phần mềm họ sử dụng, lên danh sách những nhiễu loạn và cách loại bỏ chúng, bao gồm cả những cơn bão ở Thái Bình Dương, các dao động ở tầng điện ly, một trận bão sét lớn ở châu Phi,.... Cuối cùng, họ tuyên bố rằng loại bỏ các yếu tố gây nhiễu thì phát hiện lần này đạt ngưỡng 5 sigma (một tiêu chuẩn vàng khi tuyên bố một khám phá vật lý).

Quan trọng hơn nữa, họ khẳng định đây chính là sóng hấp dẫn đến từ một cặp lỗ đen va vào nhau. Bằng cách khai thác thêm thông tin từ sóng hấp dẫn, họ biết được thêm về kích thước, khối lượng của lỗ đen, tốc độ quỹ đạo của nó, thời điểm chính xác mà chúng va vào nhau và một lần nữa, khẳng định rằng lỗ đen có tồn tại 100%, không còn bất cứ nghi ngờ nào nữa. Phát hiện lần này đã chứng minh rằng Einstein đã đúng khi nó về khía cạnh vật chất của vũ trụ.

Mặc dù lý thuyết của Einstein nói về lực hấp dẫn nhưng trước giờ người ta mới kiểm chứng được trong khuôn khổ của Hệ Mặt Trời, bây giờ người ta mở rộng ra tính đúng đắn của nó trên phạm vi toàn vũ trụ. Weiss cho biết: "Bạn nghĩ rằng lực hấp dẫn của Trái Đất là cái khiến bạn mệt khi leo cầu thang. Chưa đâu! Khi mà vật lý ngày càng phát triển, đó chỉ là một hiệu ứng nhỏ, vô cùng nhỏ, cực kỳ nhỏ của lực hấp dẫn mà thôi." Vậy làm thế nào hồi năm 1916 Einstein có thể nghĩ ra được điều này, điều mà mãi 100 năm sau người ta mới thật sự quan sát được. Tưởng tượng gương mặt của Einstein sẽ ra sao khi ông biết được mình đã đúng sau 100 năm? Có lẽ ông đang mỉm cười dưới ngôi mộ kia.

Vật lý sẽ không chết, tương lai của vật lý học hiện đại đã khởi đi từ hôm nay

Kể từ thời của Galileo, người ta cho tới nay vẫn dựa vào ánh sáng để khám phá vũ trụ. Tuy nhiên, thành công lần này của LIGO đã cung cấp thêm một công cụ mới, vẫn đảm bảo tính sờ tận tay, nghe tận tai, thấy tận mắt của khoa học và đưa con người tiến xa hơn vào những bí ẩn của vũ trụ. Con người sẽ bớt sợ vũ trụ hơn, nhiều khám phá khác sẽ được thực hiện trong tương lai. Còn lần này, một điều mà khám phá lần này đã dẫn tới chính là chuyện du hành thời gian.


Theo khoahoc.vn