Đôi nét về sóng hấp dẫn và hệ thống đo LIGO

Từ lâu, những chiếc kính thiên văn đã giúp các nhà khoa học quan sát sự dao động của không gian và thời gian trong vũ trụ. Ban đầu, kính thiên văn được sử dụng để phát hiện và đo đạc các sóng ánh sáng thấy được. Qua thời gian, các nhà thiên văn hiểu rằng vũ trụ không hề đơn điệu bởi ngoài sóng ánh sáng, vũ trụ còn bao gồm nhiều loại sóng khác như sóng radio, sóng tử ngoại, tia x và mới đây nhất là sóng hấp dẫn.

Năm 1916, Albert Einstein đã tiên đoán sự có mặt của sóng hấp dẫn trong vũ trụ như 1 phần của thuyết tương đối. Ông mô tả không gian và thời gian theo nhiều khía cạnh khác nhau. Nhưng để hiểu đơn giản, chúng ta có thể hình dung không gian thời gian trong vũ trụ là một tấm vải đang bị kéo căng. Hành tinh và các ngôi sao trên tấm vải này bị kéo dãn làm biến dạng, mọi thứ đặt gần chúng tiến lại gần hơn. Nếu chủ thể là các sao nơtron hay lỗ đen với một nguồn năng lượng phân giải vô cùng lớn, tấm vải sẽ tạo nên các nếp gợn xung quanh chúng và đây cũng chính là sóng hấp dẫn.

LIGO với cơ sở tại Livingston, Louisiana.

Hiện nay, 1 trong những bộ máy có khả năng đo được sóng hấp dẫn có tên LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Hệ thống được thiết lập tại Livingston, bang Louisiana và vùng Columbia Basin, phái đông nam bang Washington. LIGO sẽ phát hiện các nếp gợn trong không gian thời gian bằng một thiết bị đo giao thoa laser. Hệ thống LIGO gồm 2 đường ống dài hơn 4km gọi là 2 cánh tay và nhìn từ trên cao, 2 cánh tay này tạo thành một chữ "L" khổng lồ. Trong mỗi ống có gắn 2 tấm kính cách xa nhau.

LIGO với cơ sở tại Columbia Basin, Washington.

Quy trình thực hiện bắt đầu bằng một tia laser. Tia laser được phóng qua một bộ phân chùm nằm ở góc chữ L, tại đây, tia laser được chia làm 2 chùm phân vào mỗi ống. Trong ống, chùm laser được phản chiếu qua lại liên lục giữa 2 tấm kính trước khi được trả về bộ phân chùm. 2 chùm laser được hợp nhất và toàn bộ nguồn sáng của tia laser được phục hồi. Tuy nhiên, nếu có một sự sai khác nào đó giữa độ dài 2 đường đi của 2 chùm laser, một số chùm sáng bị biến đổi sẽ được chuyển tới bộ phận tách sóng quang. Mặc dù cùng được tạo ra từ một tia laser nhưng vì lý do trên, 1 trong 2 chùm sẽ có đường đi dài hơn. Tia laser không giữ được bản chất ban đầu nữa và nguyên nhân gây nên sự thiếu hụt này chính là sóng hấp dẫn. Khi sóng hấp dẫn truyền đi trong vũ trụ, chúng kéo dãn hoặc nén chặt các vật thể đi qua và điều này có nghĩa, sóng hấp dẫn đã tác động đến 1 trong 2 chùm laser trong ống khiến 1 chùm bị ngắn hoặc dài hơn chùm kia.

Nếu độ sai lệch giữa 2 chùm laser càng nhiều, sẽ có nhiều chùm sáng hơn được chuyển đến bộ phận tách sóng. Bộ phận tách sóng sẽ ghi lại và phân tích các chùm sáng cho biết số lượng, bước sóng ánh sáng và độ mạnh của sóng hấp dẫn đã tác động. Bộ phận đo giao thoa laser sẽ đóng vai trò như một microphone để chuyển đổi sóng hấp dẫn thành các tín hiệu điện tử. Từ đây, các nhà khoa học có thể dễ dàng phân tích sóng hấp dẫn.

Vì sóng hấp dẫn khá yếu nên để đảm bảo đo được chính xác sóng hấp dẫn, hệ thống LIGO phải đảm bảo một số yếu tố. Trước tiên, để đảm bảo các tia laser không bị tán xạ, áp suất trong ống phải ở mức 10^-12atm. 2 tấm kính trong mỗi ống đều được chống rung. Ngoài ra, LIGO cũng được trang bị 2 bộ dò hoạt động cùng lúc để xác định sóng hấp dẫn đang di chuyển qua trái đất.

Nguồn: io9; LIGO