Thời kì vàng son mới của thuyết tương đối (Phần 2)

David Appell - Physics World, tháng 10/2011

Những lỗ đen lang thang bị tống cổ ra khỏi hang ổ thiên hà của chúng là một trong những dự đoán bất ngờ nêu ra bởi những nhà vật lí sử dụng những cỗ máy vi tính mạnh để giải các phương trình Einstein của thuyết tương đối tổng quát. David Appell trình bày về cái mà một số người đã đặt tên là “thời đại vàng son mới” của thuyết tương đối.

>> Xem Phần 1

Quang phổ học của bầu trời

Thuyết tương đối số đã giữ một vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm sóng hấp dẫn, cho dù sự phức tạp của những lỗ đen lang thang có lẽ là cái sau cùng mà những ai tham gia nghiên cứu cần đến, biết rằng việc phát hiện ra những gợn sóng nhỏ xíu này khó khăn biết chừng nào. Vấn đề là mặc dù những nguồn phát như những hệ sao đôi phát ra rất nhiều năng lượng dưới dạng sóng hấp dẫn - ở tốc độ 10²⁸ W hoặc cao hơn – nhưng khi những sóng này đi tới Trái đất, sự lệch của chúng khỏi không gian phẳng sẽ làm thay đổi chiều dài của một cánh tay giao thoa kế đi chỉ 10^–18 , hay còn thấp hơn nữa. Các giao thoa kế sóng hấp dẫn, như LIGO ở Mĩ, VIRGO ở Italy, TAMA ở Nhật Bản và GEO600 ở Đức, vì thế phải phát hiện ra những chênh lệch chiều dài nhỏ xíu khi một sóng hấp dẫn lan qua trên chúng.

Những người săn tìm sóng hấp dẫn đặc biệt hứng thú với những lỗ đen khối lượng sao và những lỗ đen siêu khối vì chúng tạo ra những sóng ở tần số 10 – 10 000 Hz khi chúng hợp nhất – đúng ngay ngưỡng mà những máy dò sóng mặt đất như LIGO là nhạy nhất. Nhưng vì Trái đất là nơi hơi chao đảo, nên những người tìm kiếm sóng hấp dẫn cần có một số chỉ dẫn khi họ cố gắng phân biệt những thăng giáng nhỏ xíu của sóng hấp dẫn với sự dịch chuyển địa chấn và thậm chí sự dao động do những đoàn tàu chạy qua. Việc biết được sóng gì lan qua sẽ hỗ trợ họ rất nhiều.

Tiến đến kết thúc vấn đề này, dự án Phân tích Tiêm Số (NINJA) đã khởi động vào năm 2008, mang những nhõm tương đối học số và những đội phân tích dữ liệu từ 30 trường viện trên khắp thế giới lại với nhau. Các nhà tương đối học cung cấp những mẫu dạng sóng ở dạng những tệp dữ liệu ASCII ghi rõ những tiên đoán của họ cho sức nặng biến thiên theo thời gian của các sóng khi phân tích thành những dạng điều hòa cầu. Những phân tích này phải bao quát những ngưỡng tham số rộng của những sự hợp nhất lỗ đen – tỉ số khối lượng, spin và độ lệch tâm – có khả năng xảy ra nhất. Ngay cả trường hợp đơn giản gồm một lỗ đen đôi cũng có tới 17 biến, hay bậc tự do, trong số các sắp xếp nguồn và máy dò.

Nhưng phương pháp luận như trên có phát huy tác dụng. Ngày 16 tháng 9 năm 2010, chẳng hạn, các nhà khoa học máy dò sóng đã được cảnh báo sự tới nơi của một tín hiệu “chiêm chiếp” chỉ vài phút sau khi nó tới. Sau khi phân tích, các thành viên của chương trình hợp tác LIGO và VIRGO đã báo cáo khám phá ra sóng hấp dẫn, có vẻ đến từ một sao neutron đang chạy xoắn ốc vào trong một lỗ đen. Họ còn viết một bài báo về nó nữa. Họ nói có thể đó là một dữ liệu nhiễu. Các nhà nghiên cứu cho biết một khả năng như vậy đã nằm trong tầm tay, và mặc dù bài báo của họ chưa được xuất bản, nhưng các kĩ thuật của họ, cũng như sự thận trọng của họ, đã được xác thực.

Trong khi các kết quả từ thuyết tương đối số đã tiến một chặng đường xa hướng đến hỗ trợ các nhà nghiên cứu sóng hấp dẫn, nhưng chúng còn có thể giữ một vai trò lớn hơn nữa trong những dự án sắp tới, đáng chú ý là cơ sở LIGO Cao cấp – một sự nâng cấp cho LIGO sẽ tìm kiếm một dung tích không gian to hơn gấp 1000 lần cơ sở hiện nay và được trông đợi bắt đầu các hoạt động khoa học trong năm 2015. LIGO thế hệ thứ nhất đã có khoảng 10 000 dạng sóng như trông đợi trong cơ sở dữ liệu của nó, trong khi LIGO Cao cấp sẽ có khoảng 100 000. Không cần phải nói, việc so sánh dữ liệu với một số lượng lớn khả năng như vậy đòi hỏi rất nhiều tài nguyên điện toán.

Thật vậy, hồi tháng 1 năm nay, Quỹ Khoa học quốc gia đã trao cho trường Đại học Syracuse ở Mĩ gần 800 000 đô la để xây dựng một siêu máy tính cuối cùng sẽ có gần 500 terabyte dữ liệu lưu trữ chỉ vì mục đích này. “Các máy dò LIGO Cao cấp là cái người ta đang trông đợi để thật sự mở ra lĩnh vực thiên văn học sóng hấp dẫn”, phát biểu của Duncan Brown, một thành viên của chương trình LIGO. Cỗ máy của Syracuse sẽ là một trong ba dụng cụ như thế được thiết kế cho mục đích này, hai cỗ máy kia đặt tại trường Đại học Wisconsin–Milwaukee và tại Viện Vật lí Hấp dẫn Albert Einstein ở Đức.

Hình 3. Hình dung một hệ lỗ đen đôi. (Ảnh: Werner Benger/AEI/CCT/ZIB)

Các chi tiết của những dạng sóng hấp dẫn phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Các nhà tương đối học đã nghiên cứu những hệ phức tạp hơn những lỗ đen đôi, ví dụ như một sao neutron đang va chạm với một lỗ đen, hoặc những cặp sao neutron, và gần đây còn chuyển động những cặp đôi xoắn ốc vào nhau với từ trường ngoài và plasma xung quanh của chúng, tìm thấy những hệ này có thể dẫn tới những vòi phát mạnh có thể quan sát thấy với kính thiên văn tia X. Những tương tác này đòi hỏi nghiệm của các phương trình Einstein đầy đủ kết hợp với các phương trình thủy động lực học cho plasma, cái hóa ra đòi hỏi một phương trình trạng thái cho sao neutron. Vì thế, một ngày nào đó sóng hấp dẫn sẽ có thể giúp chúng ta phân biệt giữa các mô hình khác nhau của sao neutron – một loại “quang phổ học của bầu trời”.

Bổ sung thêm một bộ mặt nữa cho bài toán, Yuichiro Sekiguchi và những nhà lí thuyết khác thuộc trường Đại học Kyoto ở Nhật Bản mới đây đã nghiên cứu hành trạng của một cặp sao neutron mô tả bởi các phương trình Einstein kết hợp với các phương trình thủy động lực học, đồng thời có tính đến sự nguội đi của sao neutron siêu khối cuối cùng bởi sự phát xạ neutrino. Họ tìm thấy cả phổ sóng hấp dẫn lẫn độ rọi của các phát xạ neutrino từ ngôi sao cuối cùng; độ rọi neutrino có thể còn cao hơn cái quan sát thấy trong những vụ nổ sao siêu mới nữa. Các nhà thiên văn học tương lai sẽ nhìn tất cả những sự kiện cực độ này bằng ba con mắt: qua sóng hấp dẫn, sóng điện từ và những vụ nổ neutrino.

Tăng cỡ

Việc nhặt ra những chi tiết tốt nhất sẽ đòi hỏi một thế hệ thứ ba của những máy dò sóng hấp dẫn. Với máy dò LIGO hiện nay, sóng hấp dẫn của một sao đôi neutron chỉ nằm trong một dải có thể phát hiện trong khoảng 25 s (và khoảng 1 s đối với một hệ lỗ đen đôi). LIGO Cao cấp có thể phát hiện ra một dị thường hấp dẫn kéo dài chừng 1000 s, mặc dù đây vẫn chỉ là nghìn giây cuối cùng của một sự hợp nhất đã xảy ra hàng tỉ năm về trước.

Tương lai nằm ở việc tăng cỡ. Hệ thống Anten Vũ trụ Giao thoa kế Laser (LISA) – ba vệ tinh cách nhau năm triệu km trong quỹ đạo kiểu hành tinh xung quanh Mặt trời – sẽ nhìn thấy sóng hấp dẫn (trong dải 0,1 mHz đến 1 Hz) có thể kéo dài hàng giờ, hàng tuần hoặc thậm chí hàng tháng, với độ lệch đỏ 5 – 10. Thật tiếc là sự hiện thực hóa LISA hiện nay không chắc lắm: NASA đã gác lại dự án này trong năm nay, và mặc dù Cơ quan Vũ trụ châu Âu cho biết họ có thể phóng một phiên bản nhỏ hơn, nhưng chưa có quyết định nào được nêu ra tính cho đến nay.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu châu Âu đang có kế hoạch xây dựng cái được đặt tên là Kính thiên văn Einstein – một máy dò sóng hấp dẫn sẽ được xây dựng sâu vài trăm mét dưới lòng đất với hai cánh tay mỗi cánh dài 10 km. Nó sẽ nhạy gấp 10 lần so với LIGO Cao cấp và có thể truy xuất gấp một triệu lần dung tích không gian của các máy dò mặt đất hiện nay. Mặc dù các mô phỏng số tốt nhất ngày nay đã đủ tốt cho độ chính xác cần thiết cho một máy dò như thế, nhưng việc nghiên cứu toàn bộ không gian tham số 9D của một hệ lỗ đen đôi không có vật chất thôi cũng mất chừng một thập kỉ nữa.

Tuy nhiên, cùng với nhiều bước đột phá, thời kì vàng son mới ngày nay của thuyết tương đối đang mở ra những lĩnh vực vật lí rộng lớn chưa được khảo sát qua, với nhiều bất ngờ chắc chắn sẽ xuất hiện. Có thể là gần 100 năm kể từ khi Einstein đi tới những phương trình của ông, nhưng món quà của ông vẫn đang có ý nghĩa. Ngày nay là thời điểm thích hợp để nghiên cứu sự hấp dẫn.

Thuyết tương đối số

• Thuyết tương đối tổng quát của Einstein mô tả mối liên hệ giữa năng lượng và vật chất trong một vùng không gian và dạng hình học của nó, và đã vượt qua mọi kiểm tra thực nghiệm tính cho đến nay
• Thật không hay, các phương trình Einstein quá phức tạp và chỉ có thể giải chính xác trong vài ba trường hợp
• Tuy nhiên, những siêu máy tính mạnh có thể nhai gặm các phương trình ấy một cách không thương tiếc
• Phương pháp này, gọi là “thuyết tương đối số” đã được sử dụng để nghiên cứu cách thức các lỗ đen hợp nhất, cho thấy trong một số trường hợp chúng có thể tạo ra những lỗ đen lang thang lao đi trong không gian giữa các sao
• Thuyết tương đối số còn giúp các nhà nghiên cứu tìm kiếm các dấu hiệu của sóng hấp dẫn

Subrahmanyan Chandrasekhar đã nhìn thấy các lỗ đen có thể được tạo ra như thế nào. (Ảnh: Science Photo Library)

Lỗ đen

Thật thú vị, mặc dù khó nuốt và nổi tiếng là không thân thiện, những các lỗ đen thuộc về những vật thể đơn giản nhất trong vũ trụ và có thể mô tả đầy đủ chỉ bởi ba đại lượng – khối lượng M của chúng, điện tích Q và xung lượng góc hay “spin” J. Thật vậy, nhà thiên văn vật lí đoạt giải Nobel người Ấn Độ Subrahmanyan Chandrasekhar, người đầu tiên dự đoán rằng chúng có thể được tạo ra khi những ngôi sao lớn qua đời, đã gọi các lỗ đen là “những vật thể vĩ mô hoàn hảo nhất có trong vũ trụ”. Các lỗ đen có ba dạng chính:

1 các lỗ đen khối lượng mặt trời, với khối lượng bằng khoảng 3 – 30 lần khối lượng Mặt trời;

2 các lỗ đen khối lượng trung bình, với khối lượng khoảng 100 – 10 000 lần khối lượng mặt trời, ví dụ (hầu như mọi nhà thiên văn đều tán thành) nguồn phát tia X Siêu Sáng (HLX-1), nằm trong một thiên hà cách Trái đất 290 triệu năm ánh sáng;

3 các lỗ đen siêu khối thống trị tại tâm các thiên hà, với hàng triệu đến hàng tỉ lần khối lượng mặt trời

Tính theo spin, một trường hợp cực độ là lỗ đen Schwarzschild, có spin bằng không, trong khi lỗ đen Kerr cực độ, không mang điện tích, có spin tối đa cho phép bởi thuyết tương đối tổng quát là GM²/c, trong đó G là hằng số hấp dẫn và c là tốc độ ánh sáng.

Tham khảo

J Centrella et al. 2010 Black-hole binaries, gravitational waves, and numerical relativity Rev. Mod. Phys. 82 3069
M Hannam 2009 Status of black-hole-binary simulations for gravitational-wave detection Class. Quant. Grav. 26 114001
D Merritt and M Milosavljevic 2005 Massive black hole binary evolution Living Rev. in Relativity 8 8
F Pretorius 2009 Binary Black Hole Coalescence, in Physics of Relativistic Objects in Compact Binaries: from Birth to Coalescence ed M Colpi et al. Astrophysics and Space Science Library vol 359 (New York, Springer)

David Appell (St Helens, Oregon, Mĩ)