Sóng hấp dẫn là một hiện tượng tồn tại trong dự đoán của lý thuyết do Einstein đề ra năm 1916, đó là sóng không-thời gian. Để quan sát sóng hấp dẫn, các nhà khoa học Mỹ đã xây dựng Đài quan sát sóng hấp dẫn - giao thoa kế laser (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO). Đây là dự án nhiều hoài bão nhất được Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) tài trợ.
LIGO gồm hai giao thoa kế hình chữ L (L-shaped interferometers), mỗi giao thoa kế có một cánh tay quỹ đạo dài tới 4 km, tại đầu cuối cánh tay quỹ đạo có treo những tấm gương phản xạ; sự dịch chuyển của những gương đó được ghi chép đo lường với độ chính xác cực kỳ cao, tương đương 1/1.000 đường kính của hạt proton.
Dự án nghiên cứu chưa từng thấy trong lịch sử này do Caltech và MIT kết hợp tiến hành. LIGO thế hệ đầu được vận hành từ năm 2001, sau khi tiến hành nâng cấp kỹ thuật, thiết bị LIGO tiên tiến thế hệ hai bắt đầu vận hành từ ngày 19/5/2015 vừa qua.
Dưới đây là phần phỏng vấn hai nhà khoa học tham gia dự án: Barry Barish - người đứng đầu dự án LIGO những năm 1994-1997 và Giám đốc LIGO những năm 1997-2006; và Stan Whitcomb - Phó giáo sư vật lý Caltech những năm 1980-1985, tham gia dự án LIGO từ năm 1991.
Dự án LIGO khởi đầu như thế nào?
Barish: Einstein không cho rằng có thể phát hiện được sóng hấp dẫn, bởi lẽ nó là một lực quá yếu. Nhưng hồi thập niên 1960, Joseph Weber ở Đại học Maryland từng dùng một tấn nhôm để chế tạo một thanh kim loại dài 153 m. Thanh nhôm này có tần số tự nhiên khoảng 1.000 Hz. Một siêu tân tinh bùng nổ (collapsing supernova) có thể sinh ra những sóng hấp dẫn nằm trong phạm vi tần số như vậy. Nếu sóng hấp dẫn đó xuyên qua thanh nhôm nói trên thì hiệu ứng cộng hưởng do thanh này sinh ra sẽ có thể tiến hành khuếch đại tín hiệu tới mức đủ để chúng ta đo được. Đây là một ý tưởng rất hay và về cơ bản có thể nói, nó đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu thí nghiệm. Thế nhưng rốt cuộc kích thước thanh kim loại làm ra không thể lớn quá và tín hiệu ta quan sát thấy cũng phụ thuộc vào kích thước của thiết bị thăm dò.
Về sau chúng tôi mời Gíao sư vật lý Ron Drever của Đại học Glasgow đến để đẩy mạnh việc nghiên cứu bằng thiết bị thanh kim loại. Nhưng trong khi làm cho chúng tôi thì Ron Drever và Rainer Weiss ở MIT lại đang độc lập nghiên cứu sáng chế các thiết bị thăm dò kiểu giao thoa kế (interferometer-type detectors), theo ý tưởng do những người khác đề xuất trước đây.
Nói chung các tấm gương phải được cố định chắc chắn để không bị dịch chuyển, nhưng các gương phản xạ của LIGO thì lại có thể tự do xoay, có vậy thì sóng hấp dẫn mới có thể làm chúng chuyển động. Kết hợp một thiết bị rất lớn và nặng với sự đo lường có độ chính xác cực kỳ cao là nhiệm vụ vô cùng khó khăn.
Whitcomb: Cho dù thiết bị thăm dò kiểu thanh kim loại dường như là phương án có độ nhạy cao nhất hiện nay, song nếu muốn thiết bị thăm dò cuối cùng đạt được độ nhạy cần thiết thì rất khó. Kip Thorne đã sáng suốt yêu cầu Caltech nghiên cứu sáng chế công nghệ thăm dò kiểu giao thoa kế, và sau đó ông đã thường xuyên thúc đẩy việc này.
Nhóm Ron ở Đại học Glasgow đã làm được một thiết bị thăm dò kiểu giao thoa kế dài 10 m, chiếm hết phòng làm việc. Dựa trên thiết kế của họ, chúng tôi đã làm một thiết bị thăm dò dài 40 m, nhưng trong quá trình làm đã ra sức cải tiến thiết kế cũ. Thời gian ấy suốt ngày chúng tôi làm việc với argon-ion laser - đây là lựa chọn tốt nhất nhưng cũng rất rắc rối. Khi sử dụng, nước làm mát sẽ gây ra cho thiết bị sự can nhiễu rung lắc rất nghiêm trọng, khiến chúng tôi khó đạt được mục tiêu độ nhạy đặt ra trong thiết kế ban đầu. Chúng tôi còn phải thiết kế hệ thống điều khiển, trong điều kiện hồi ấy thì phải dùng mạch điện analog. Chúng tôi còn làm được loạt “gương siêu cấp” (supermirrors) đầu tiên. Thực ra những thứ đó đều thuộc về kỹ thuật quân sự nhưng chúng tôi thành công chuyển sang dùng cho mục đích khoa học. Cánh tay của thiết bị thăm dò kiểu giao thoa kế càng dài thì độ nhạy càng cao, nhưng chiều dài hữu hiệu là cự ly lũy tiến mà ánh sáng đi được trong đó. Chúng tôi cho ánh sáng phản xạ đi lại vài trăm lần trong đường ống, qua đó làm cho hiệu ứng giao thoa tương đương với độ nhạy của thiết bị thăm dò kiểu giao thoa kế dài hàng nghìn km.
Khi nào thì bắt đầu sự hợp tác chính thức với MIT?
Barish: Rai [Weiss] và Ron [Drever] hồi ấy đang làm các dự án riêng tại MIT và Caltech cho tới lúc GS Robbie Vogt, Trưởng phòng giáo vụ ở Caltech, kết hợp họ lại. Rai và Ron khác nhau về thế giới quan nhưng Robbie đã thành công trong việc làm cho họ hợp tác với nhau.
Năm 1989, Robbie viết bản đề cương dự án nộp lên NSF, gồm hai tập dày gần 300 trang, chứa đựng một số ý tưởng quan trọng, kỹ thuật và khái niệm mà ngày nay chúng tôi sử dụng trong LIGO. Cho dù so với thiết kế hồi ấy, thiết bị LIGO ngày nay có rất nhiều chi tiết khác trước, rất nhiều thứ đã được thiết kế mới, song những thứ cơ bản nhất thì vẫn như bản đề cương đó.
Whitcomb: Năm 1991, LIGO trở thành dự án chung của Caltech và MIT với Giám đốc là Robbie Vogt. Hồi ấy, Robbie lấy về nhiều kỹ sư thiết kế, phần lớn là người ở Phòng thí nghiệm Phản lực JPL. Boude Moore (đã mất) là kỹ sư chân không do chúng tôi mời, ông đã thiết kế phương án hệ thống cao chân không bằng thép không gỉ có hàm lượng hydrogen thấp. Đây là vấn đề chưa từng gặp. Nguyên tử hydrogen hấp thụ trong kim loại sẽ dần dần thoát ra trong chu kỳ sống của toàn hệ thống, nhưng hệ thống này có độ nhạy cực cao, chỉ cần một nguyên tử lang thang chạm vào gương của LIGO thì sẽ gây ra sai lầm về số liệu. Boude đã làm một số công tác đo thử trên kích thước tương đối lớn, chủ yếu ở bên trong kiến trúc máy gia tốc đồng bộ (synchrotron building). Chúng tôi đã xây dựng gần sân bóng đá của Caltech một xilanh thí nghiệm dài 80 m. Các thí nghiệm được triển khai rải rác ở những địa điểm khác nhau rồi tiến hành tổ hợp tại thiết bị thăm dò kiểu giao thoa kế dài 40 m. Hồi đó chủ yếu vẫn dùng mạch analog, nhưng đã có một thiết bị chân không mới. Sau đó chúng tôi thiết kế lại hệ thống treo (suspension) và tăng thêm chức năng mới cho thiết bị thăm dò. Khi ấy chúng tôi đã đạt được độ nhạy cần thiết và chuẩn bị tốt cho việc xây dựng thiết bị thăm dò LIGO cỡ lớn có đường ống dài 4 km. Sau chót, cũng vào năm 1991 chúng tôi nhận được thông tin phản hồi là toàn bộ dự án được cấp trên chuẩn y.
Vì sao LIGO tiên tiến có độ nhạy cao hơn?
Barish: Nguyên nhân khá phức tạp. Phần lớn các dự án thí nghiệm vật lý có độ nhạy cực cao đều bị hạn chế bởi sự tồn tại của tiếng ồn phông, cho nên phải tập trung chú ý vào mặt này và tìm cách khử hoặc hạ thấp loại nhiễu đó. Nhưng LIGO có ba hạn chế. Chúng tôi đang lùng tìm những sóng hấp dẫn trong giải tần từ 10 Hz tới 10 kHz. Trái đất là một nguồn rung chấn khó tin, cho nên trên tần số 10Hz~100Hz chúng tôi phải tìm cách cách ly mình với các rung chấn tự nhiên của Trái đất. Ngoài ra trên các tần số rất cao, chúng tôi phải tăng nhanh tốc độ lấy mẫu sao cho có thể thấy được tín hiệu, như vậy chúng tôi bị hạn chế bởi công suất laser, nó quyết định số lượng photon chúng tôi có thể lấy được trong thời gian cực ngắn. Còn ở giải tần loại trung bình, chúng tôi bị hạn chế bởi cái gọi là “nhiễu nhiệt (thermal noise)”, đó là do các nguyên tử bên trong gương phản xạ cũng tồn tại chuyển động.
Thế hệ LIGO tiên tiến có lắp laser mạnh hơn rất nhiều để đáp ứng nhu cầu đối với tần số cao. Hệ thống cách ly đã được cải tiến, kể cả hệ thống tự động phản hồi. Chúng tôi có khối lượng thử nghiệm lớn hơn và sử dụng lớp phủ gương phản xạ tốt hơn, bảo đảm hạ tín hiệu nhiễu nhiệt xuống tới mức thấp nhất. Tất cả các cải tiến đó đều có trong văn bản viết năm 1989, văn bản này kiến nghị sử dụng công nghệ lúc đó đã chín muồi để xây dựng thiết bị LIGO đầu tiên, tức các công nghệ hầu hết đã thử nghiệm tại đây trên mẫu 40 m. LIGO tiên tiến hiện đã xây dựng xong cũng ứng dụng công nghệ mới đã được kiểm nghiệm trên mẫu 40 m sau khi LIGO đầu tiên vận hành tốt. Hiện giờ chúng tôi đang dùng thiết bị 40 m để thực hiện vòng thí nghiệm nâng cấp tiếp theo.
Ông cho rằng còn bao lâu nữa sẽ thăm dò thấy tín hiệu sóng hấp dẫn?
Barish: Tôi luôn hy vọng là năm 2016 sẽ thăm dò thấy tín hiệu sóng hấp dẫn, đó là dịp kỷ niệm 100 năm ngày Einstein công bố Thuyết tương đối tổng quát. LIGO tiên tiến đòi hỏi thời gian từ ba đến năm năm mới có thể đạt được độ nhạy thiết kế. Trong thời gian đó, chúng tôi không ngừng thu thập số liệu, nhờ thế cơ hội khám phá sóng hấp dẫn của chúng tôi sẽ không ngừng tăng lên. Theo thiết kế, LIGO tiên tiến sẽ tăng được đáng kể độ nhạy và xác suất phát hiện tín hiệu. Độ nhạy tăng nghĩa là có thể thăm dò thấy tín hiệu ở xa và không gian thăm dò thì tăng theo lập phương của cự ly.
Năm 1989 khi chúng tôi bắt đầu khởi động dự án, một số người tỏ ra nghi ngờ, cho rằng có thể đây lại là một dự án tương tự như lò phản ứng tổng hợp hạt nhân (fusion). Họ nói phải cần ít nhất 50 năm để thực hiện lò phản ứng này. Đối với LIGO, nói chung có quan điểm cho rằng cần khoảng 10 năm nữa mới thăm dò thấy sóng hấp dẫn. Nhưng tôi nghĩ là không cần lâu đến thế, có lẽ chỉ cần năm năm.
Theo Tạp chí Tia Sáng