Cuối cùng, có bằng chứng về sóng trọng lực tần số thấp

Lần đầu tiên, các nhà vật lý đã tìm thấy những gì họ gọi là “bằng chứng thuyết phục” về sóng trọng lực tần số thấp, những gợn sóng trong không gian-thời gian thường do các vật thể thiên văn khổng lồ quay quanh nhau. Các sóng này có khả năng phát ra từ các cặp lỗ đen lớn nhất trong vũ trụ và làm xao lạc các vật thể không gian sâu đủ để tạo ra một tín hiệu tinh tế mà các nhà khoa học có thể nắm bắt được.

Đài quan sát Nanohertz Bắc Mỹ về Sóng Trọng Lực (NANOGrav) công bố những kết quả mới của mình trong một loạt các bài báo hôm nay trong Tạp chí Vật lý Học Letters. Đội ngũ sẽ trình bày kết quả của họ cho công chúng vào chiều thứ Năm tại Quỹ Khoa học Quốc gia và trên YouTube. Đội ngũ NANOGrav đã phối hợp với đồng nghiệp quốc tế, với các hợp tác riêng biệt tại Châu Âu, Ấn Độ, Úc và Trung Quốc công bố những kết quả tương tự vào cùng một thời điểm. Sự nhất quán giữa các nhóm này làm tăng sức mạnh cho kết luận của họ, rằng những sóng được lý thuyết từ lâu này thực sự tồn tại.

“Chúng tôi đã theo đuổi sứ mệnh trong suốt 15 năm qua để tìm ra âm thanh thấp của sóng trọng lực vang vọng khắp vũ trụ và trải qua dải ngân hà của chúng ta để biến dạng không gian-thời gian một cách có thể đo lường. Chúng tôi rất vui mừng thông báo rằng công sức làm việc chăm chỉ của chúng tôi đã được đền đáp,” ông Stephen Taylor, chủ tịch NANOGrav, nói tại buổi họp báo ngày 27 tháng 6.

Đo lường của NANOGrav nhất quán với những dự đoán từ lý thuyết của Albert Einstein về tổng hợp tương đối, Taylor nói. Theo lý thuyết đó, những lỗ đen xoắn vào nhau sẽ tạo ra những nếp nhăn trên bề mặt không gian-thời gian, và những biến dạng đó sẽ lan tỏa ra với tốc độ ánh sáng. Nhưng cách đây một thế kỷ, việc phát hiện một điều như vậy từ Trái Đất dường như là không thể. Và thực sự, những sóng gần như không thể nhận biết đó không được tìm thấy cho đến năm 2015, khi hợp tác quan sát sóng trọng lực bằng Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ở Mỹ, hay LIGO, làm nổi loạn thế giới vật lý bằng cách phát hiện một sóng trọng lực.

Nhóm LIGO, cùng với hợp tác Virgo tại Châu Âu, sau đó đã tìm thấy hàng chục sóng trọng lực khác, chủ yếu từ những cặp lỗ đen có kích thước như ngôi sao, cũng như một số sự hợp nhất giữa lỗ đen và ngôi sao neutron. Nhưng sóng trọng lực mà các nhà khoa học NANOGrav tìm kiếm lại rất khác biệt: chúng được đo ở tần số thấp hơn nhiều, và có thể bắt nguồn từ những lỗ đen siêu khổng lồ, những vật thể khổng lồ nằm ở trung tâm của hầu hết các dải ngân hà, kể cả của chúng ta, và nặng như hàng trăm triệu hoặc thậm chí tỷ lệ trọng lượng của Mặt Trời. Trong các bản công bố của NANOGrav và các đội khác, các nhà khoa học mô tả phân tích của họ đồng thời chỉ ra cách sóng trọng lực đang thấm nhuần vũ trụ. Họ cũng nghĩ đến các nguồn gốc khác nếu chúng không đến từ lỗ đen lớn sau cùng—những ứng viên kỳ lạ như dây vũ trụ hoặc sự bành trướng của vũ trụ.

NANOGrav và các đối tác quốc tế của nó, như Mảng Thời gian Pulsar Châu Âu, đã đo lường tín hiệu sóng trọng lực bằng cách sử dụng pulsar rải rác trong dải ngân hà. Đôi khi được gọi là “hải đăng không gian,” pulsars là hạt nhân của những ngôi sao lớn đã chết, sụp đổ dưới trọng lượng của chúng và trở nên siêu tân tạo. Một số trong số chúng quay hàng trăm lần mỗi giây trong khi phát sóng bức xạ từ trục từ từ của chúng. Những nhà nghiên cứu sử dụng những xung đó như những chiếc đồng hồ vô cùng chính xác của vũ trụ, xác định vị trí của pulsars.

Đội ngũ NANOGrav về cơ bản đã biến Dải Ngân Hà thành một bộ cảm biến sóng trọng lực khổng lồ bằng cách đo tín hiệu từ những pulsar này để xác định khi nào một sóng chạm nhẹ chúng. Sự va chạm của những lỗ đen khổng lồ—hoặc một quá trình cực kỳ năng lượng cao khác—tạo ra sóng trọng lực nhỏ giọt và kéo dãn không gian-thời gian một cách nhẹ nhàng, điều chỉnh khoảng thời gian giữa những chớp pulsar. Những thay đổi tăm tối đó được nhóm nghiên cứu NANOGrav đo lường giữa 68 pulsar, sau đó liên kết chúng lại, tìm thấy một mô hình có thể là dấu hiệu của sóng trọng lực tần số thấp. Các đội hợp tác khác đã thực hiện điều tương tự với các bộ pulsar riêng biệt.

Sau hơn một thập kỷ thu thập và phân tích dữ liệu, các nhóm đã giảm thiểu độ không chắc chắn trong đo lường của họ và đảm bảo rằng họ đã phát hiện một dấu hiệu thực sự của sóng trọng lực thay vì hiện tượng vũ trụ hoặc đơn giản là nhiễu. Nhóm NANOGrav, bao gồm gần 200 người, đã thực hiện một phân tích thống kê và thấy có ít hơn một trong một nghìn khả năng rằng tín hiệu họ quan sát có thể xảy ra tình cờ. Các hợp tác khác cũng tìm thấy mức độ ý nghĩa thống kê tương tự.

Mặc dù có khả năng lớn là đây là dấu hiệu thực sự của sóng trọng lực từ những lỗ đen khổng lồ, các nhóm đều miễn cưỡng sử dụng từ “phát hiện” để mô tả kết quả của họ. Chín năm trước, hợp tác BICEP2 của Mỹ, sử dụng một kính viễn vọng tại Cực Nam, tuyên bố đã phát hiện sóng trọng lực nguyên sinh đến từ sự nổ lớn, chỉ để phát hiện rằng tín hiệu của họ thực sự đến từ những hạt bụi phiền toái trong Dải Ngân Hà—điều này đã khiến các nhà nghiên cứu cẩn trọng với kết luận của họ. “Cộng đồng sóng trọng lực rất thận trọng với những điều kiện như vậy,” Scott Ransom, một nhà thiên văn của Trạm Quan sát Vô tuyến Quốc gia và cựu chủ tịch NANOGrav, nói.

Đối với các đo lường của họ, nhóm NANOGrav đã sử dụng một số kính viễn vọng radio: Trạm Quan sát Green Bank ở Tây Virginia, Dãy quan sát rất lớn ở New Mexico và Trạm quan sát Arecibo lớn ở Puerto Rico, một công cụ biểu tượng đã sụp đổ vào năm 2020. Các nhóm khác đã sử dụng các kính viễn vọng radio ở năm quốc gia châu Âu, Ấn Độ, Trung Quốc và Úc. Gần đây, thêm các kính viễn vọng đã tham gia nỗ lực này, bao gồm CHIME ở Canada và MeerTime ở Nam Phi.

Sự hợp tác giữa các nhà khoa học ở Mỹ và Trung Quốc là đáng chú ý, theo Ransom. Trong khi Đạo luật Wolf gây tranh cãi năm 2011 cấm NASA làm việc trực tiếp với các tổ chức Trung Quốc vì lo ngại về an ninh, các hạn chế này không áp dụng cho các nỗ lực do Quỹ Khoa học Quốc gia tài trợ như NANOGrav. “Chính trị đã làm cho một số hợp tác của chúng tôi trở nên phức tạp,” Ransom nói. “Chúng ta phải tìm ra cách làm việc cùng nhau, vì khoa học chắc chắn tốt hơn khi chúng ta làm vậy. Điều này thực sự khó khăn khi bị ràng buộc bởi chính trị.”

Các nhóm hợp tác với nhau thông qua một dạng siêu hợp tác gọi là Hệ thống Quan sát Xung đột Ngôi sao Quốc tế. Mặc dù phạm vi địa lý của nhóm khiến cho các nhà khoa học gặp khó khăn khi truyền thông qua các múi giờ khác nhau, họ có thể kết hợp các bộ dữ liệu của họ, nâng cao độ chính xác và sự tự tin trong các đo lường của mình. “Không thể xây dựng một kính viễn vọng sóng trọng lực kích thước của Dải Ngân Hà trong khuôn viên sân của bạn,” Michael Keith, một nhà vật lý thiên văn trên ủy ban điều hành của Hệ thống Quan sát Xung đột Ngôi sao Châu Âu, viết trong một email gửi tới MYTOUR. “Điều này đòi hỏi sự nỗ lực kết hợp của hàng trăm nhà thiên văn học, lý thuyết gia, kỹ sư và quản trị viên để nghiên cứu vũ trụ ở quy mô này.”