Sóng hấp dẫn mới | không gian

aKhoảng 10 tỷ nghìn tỷ nghìn tỷ mili giây Vào thời điểm bắt đầu tạo ra trong Vụ nổ lớn, vũ trụ được cho là đã trải qua một đợt tăng trưởng ngắn nhưng nhanh đến mức ngớ ngẩn. Sự kiện này, được gọi là lạm phát, thảm khốc đến mức cấu trúc của không gian và thời gian điều chỉnh theo sóng hấp dẫn (GW). Để so sánh, các GW lần đầu tiên được phát hiện cách đây sáu năm đã gây tiếng vang lớn đó là những vấn đề nhỏ bé do va chạm các lỗ đen. Nhưng bây giờ các nhà khoa học đang ở Châu Âu không gian ESA đặt tầm nhìn vào những mục tiêu lớn hơn — và hy vọng sẽ sớm có thể phát hiện ra những tiếng vọng yếu ớt của sự bùng phát sinh sôi nảy nở trong vũ trụ, khoảng 14 tỷ năm sau sự kiện này, bằng cách sử dụng công cụ lớn nhất từng được tạo ra. Lớn hơn Trái đất hàng trăm lần, máy dò sóng hấp dẫn theo kế hoạch của Esa sẽ lơ lửng trong không gian và tìm kiếm các dao động trong không-thời gian gây ra bởi tất cả các loại co giật vật lý thiên văn lớn.

GW đầu tiên được xác định vào năm 2015 bởi Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (Ligo), một dự án quốc tế đã giành được giải Nobel Vật lý năm 2017 cho ba trong số những người đề xuất chính. Ligo bao gồm hai máy dò khổng lồ ở các bang Washington và Louisiana của Mỹ. Mỗi bên triển khai hai đường hầm dài 2,5 dặm (4 km), giao nhau ở một góc vuông, trong đó chùm tia laze truyền dọc theo gương ở phía xa và sau đó phản xạ trở lại. Các sóng ánh sáng trở lại giao thoa với nhau khi các cánh tay giao nhau. Khi GW đi qua, nó sẽ co lại rất nhẹ hoặc kéo dài không thời gian. Vì hiệu ứng này sẽ khác nhau ở mỗi nhánh, nó thay đổi sự đồng bộ của sóng ánh sáng, và do đó thay đổi giao thoa của hai chùm tia.

READ  Sao Kim có thể giúp cứu Trái đất khỏi "Đi tới Jeffrey Dahmer" không? NASA sẽ tìm ra

LEGO không đơn độc. Một khám phá GW thứ hai vào ngày Giáng sinh năm 2015 sau đó đã được xác nhận với sự cộng tác của máy dò châu Âu Virgo, có trụ sở tại Ý. Một máy dò ở Nhật Bản, được gọi là Kagra, bắt đầu hoạt động vào đầu năm ngoái, và các thiết bị khác được lên kế hoạch ở Ấn Độ và Trung Quốc.

Hầu hết các lỗ đen được nhìn thấy cho đến nay dường như là do sự va chạm của hai lỗ đen. Những ngôi sao này được tạo thành từ những ngôi sao có khối lượng gấp nhiều lần mặt trời của chúng ta, chúng đã cháy và sụp đổ dưới tác động của lực hấp dẫn của chính nó. Theo thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, mô tả lực hấp dẫn là sự biến dạng của không-thời gian gây ra bởi khối lượng, sự sụp đổ có thể tiếp tục cho đến khi không còn lại gì ngoài một “điểm kỳ dị” rất dày đặc, tạo ra một trường hấp dẫn cường độ cao đến mức không phải ánh sáng cũng có thể bỏ trốn. từ Anh ấy.

Vụ va chạm của hai lỗ đen – một sự kiện lần đầu tiên được phát hiện bởi Đài quan sát Sóng hấp dẫn Laser, hay Ligo – được hiển thị trong hình ảnh tĩnh này từ một mô phỏng máy tính. Ảnh: SXSproject

Nếu hai lỗ đen va chạm do lực hút của nhau, chúng có thể quay quanh nhau và dần dần hướng vào trong cho đến khi chúng hợp nhất. Thuyết tương đối rộng đã tiên đoán hơn một thế kỷ trước rằng những sự kiện như vậy sẽ gửi sóng GW xuyên qua vũ trụ, mặc dù không có bằng chứng trực tiếp cho chúng cho đến khi phát hiện ra LIGO. Chúng cũng có thể được gây ra bởi các hiện tượng vật lý thiên văn cực đoan khác, chẳng hạn như sự hợp nhất của sao neutron: những ngôi sao rực lửa có khối lượng nhỏ hơn lỗ đen đã ngừng sụp đổ tại điểm mà chúng bao gồm vật chất dày đặc đến mức cái ống của một người nặng tới 50m con voi.

GW cũng có thể được tạo ra bởi các đối tượng lớn hơn nhiều. Ở trung tâm của thiên hà của chúng ta, và nhiều thiên hà khác, là một lỗ đen siêu lớn có khối lượng gấp vài triệu lần mặt trời của chúng ta, được hình thành từ các ngôi sao sụp đổ và các đám mây khí và bụi vũ trụ. Các vật thể cuồn cuộn vào các lỗ đen siêu lớn này tạo ra GW dao động ở tần số thấp hơn và bước sóng dài hơn so với sóng sáp nhập lỗ đen nhỏ mà Ligo và Virgo nhìn thấy.

Các thiết bị dò tìm trên mặt đất không thể xác định chính xác những điều này – nó giống như cố bắt một con cá voi trong một vựa tôm hùm. Để nhìn thấy chúng, máy dò giao thoa sẽ cần những cánh tay dài hơn nhiều. Điều này khá phức tạp, vì mỗi nhánh kênh phải dài, thẳng và không bị rung. Vì vậy, các nhà nghiên cứu dự định tạo ra các phòng tập thể dục tần số thấp trong không gian. Nâng cao nhất trong số các gói này là thiết bị hiện đang được xây dựng cho Esa: a: Giao thoa kế laze ăng ten không gian (Lisa).

LISA sẽ gửi các tia laser từ một tàu vũ trụ để bật ra một tấm gương lơ lửng tự do bên trong một tàu vũ trụ khác. Sử dụng ba tàu vũ trụ, bạn có thể tạo ra một cấu trúc hình chữ L hai cánh tay như Ligo. But the arms don’t have to be at right angles: Instead, Lisa will position her three spacecraft several million miles away in the corners of the triangle, with each corner becoming one of three detectors. Cả nhóm sẽ đi theo quỹ đạo của Trái đất, kéo theo hành tinh của chúng ta khoảng 30 mét.

Để kiểm tra tính khả thi của việc tiến hành phép đo giao thoa laser trong không gian, vào năm 2015, Esa đã khởi động một dự án thử nghiệm có tên Lisa Pathfinder – Tàu vũ trụ trình diễn công nghệ ở quy mô nhỏ. nhiệm vụ, Được hoàn thành vào năm 2017, nó đã “thổi bay chúng tôi”, Issa Paul McNamara, nhà khoa học của dự án điều hành sứ mệnh cho biết. “Nó đáp ứng các yêu cầu của chúng tôi vào ngày đầu tiên, không có sửa đổi hoặc không có gì.” Ông đã chỉ ra rằng một chiếc gương lơ lửng bên trong tàu vũ trụ có thể đứng yên một cách đáng kinh ngạc, dao động không quá một phần nghìn kích thước của một nguyên tử. Để giữ cho nó ổn định, tàu vũ trụ sử dụng các lực đẩy nhỏ để phản ứng lại lực từ ánh sáng đến từ mặt trời.

Nói cách khác, McNamara nói, “Phi thuyền của chúng tôi ổn định hơn kích thước của coronavirus.” And it is, too, because LISA would need to detect a change in arm length that, due to GW, is one-tenth the width of an atom over a million miles.

Tuy nhiên, việc phát hành Lisa sẽ không xảy ra trong ít nhất một thập kỷ. McNamara nói: “Chúng tôi có ba vệ tinh để chế tạo, và mỗi vệ tinh có nhiều bộ phận. “Nó chỉ mất thời gian – và đó là một trong những sự thật đáng tiếc của một nhiệm vụ rất phức tạp.” Cột mốc quan trọng tiếp theo là “việc áp dụng chính thức sứ mệnh”, dự kiến ​​vào năm 2024. “Tại thời điểm này, chúng ta sẽ biết chi tiết về sứ mệnh và các quốc gia thành viên ESA và Hoa Kỳ đóng góp những gì và chi phí là bao nhiêu, “Nhà vật lý thiên văn Emmanuel Berti của Đại học Jones Hopkins ở Baltimore cho biết.

Nhật Bản và Trung Quốc cũng đang trong giai đoạn đầu lập kế hoạch cho các máy dò không gian GW. McNamara coi đây không phải là một cuộc cạnh tranh, mà là một điều tốt – bởi vì với nhiều hơn một máy dò, có thể sử dụng phương pháp tam giác để xác định nguồn của sóng.

“Lisa sẽ thay đổi thiên văn học GW giống như cách vượt qua ánh sáng khả kiến [to radio waves, X-rays etc] Bertie nói: “Ông ấy sẽ xem xét các lớp khác nhau của các nguồn GW.” Bằng cách nghiên cứu các vụ sáp nhập lỗ đen siêu lớn, ông nói, “chúng tôi hy vọng sẽ hiểu được nhiều điều về sự hình thành của cấu trúc trong vũ trụ, và về bản thân lực hấp dẫn. ”Lisa đã nhìn thấy GW” nguyên thủy “từ lạm phát sớm trong Vụ nổ lớn, vì vậy điều này có thể kiểm tra các lý thuyết về cách tất cả bắt đầu.


TĐây có thể là một cách khác để xem GW tần số thấp mà hoàn toàn không yêu cầu máy dò được xây dựng có mục đích. Một sự hợp tác có tên là Đài quan sát sóng hấp dẫn Nanohertz ở Bắc Mỹ (NanoGrav) sử dụng các quan sát được thực hiện bởi mạng lưới kính thiên văn vô tuyến toàn cầu để tìm kiếm ảnh hưởng của GW đến thời gian của “đồng hồ vũ trụ” được gọi là sao xung.

Pulsar quay xung quanh các ngôi sao neutron nhanh chóng tạo ra các chùm sóng vô tuyến cường độ cao từ các cực của chúng, quét qua bầu trời như những tia hải đăng. Tín hiệu Pulsar rất thường xuyên và có thể dự đoán được. “Nếu một GW đi qua giữa pulsar và Trái đất, nó sẽ làm biến dạng không thời gian chồng chéo lên nhau,” thành viên Stephen Taylor của nhóm NanoGrav thuộc Đại học Vanderbilt ở Tennessee cho biết, khiến cho xung đến sớm hoặc muộn hơn dự kiến.

Kính viễn vọng Ngân hàng Xanh (GBT)
Kính viễn vọng Ngân hàng xanh (GBT) tại Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia ở Virginia, một phần của dự án NanoGrav. Nhiếp ảnh: John Arnold Images Ltd / Almy

Trên thực tế, pulsar trở thành máy dò. Như thành viên nhóm NanoGrav Julie Comerford từ Đại học Colorado tại Boulder nói, điều này mang lại cho các cánh tay “máy dò” dài bằng khoảng cách giữa Trái đất và các sao xung: có lẽ là hàng nghìn năm ánh sáng. Do kích thước tuyệt đối này, các tín hiệu có thể được NanoGrav phát hiện có bước sóng rất dài và tần số rất thấp, thậm chí nằm ngoài tầm với của LISA và được tạo ra bởi các lỗ đen siêu lớn lớn gấp hàng tỷ lần Mặt trời, chúng hợp nhất khi toàn bộ thiên hà va chạm. . Taylor nói rằng không có máy dò nào khác có thể cảm nhận được điều đó. Mặc dù tai hại không thể tưởng tượng được, nhưng những tích hợp này thực sự khá phổ biến và NanoGrav sẽ có kiểu thổi phồng mà nhiều người trong số họ đã thực hiện. “Trong khắp vũ trụ, có những cặp lỗ đen siêu lớn quay quanh nhau và tạo ra gigawatt”, Commerford nói. “Những gợn sóng này tạo ra một biển GW mà chúng ta đang lắc lư.”

Vào tháng 1, nhóm NanoGrav được dẫn đầu bởi nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của Comerford Joseph Simon ở Colorado Báo cáo khám phá đầu tiên có thể có về nền GW này. Mặc dù cần phải nghiên cứu thêm để xác minh rằng tín hiệu thực sự là do GWs gây ra, nhưng Commerford gọi kết quả này là “kết quả vật lý thiên văn thú vị nhất mà tôi đã thấy trong vài năm qua.”

Nếu thực tế, NanoGrav sử dụng một máy dò GW có kích thước bằng năm ánh sáng, thì nhà vật lý Sougato Bose của Đại học College London cho rằng chúng ta có thể tạo ra một cái đủ nhỏ để nhét trong tủ. Ý tưởng của ông dựa trên một trong những hiệu ứng bất thường hơn của lý thuyết lượng tử, thường mô tả các vật thể rất nhỏ như nguyên tử. Các đối tượng lượng tử có thể được đặt trong cái gọi là chồng chất, có nghĩa là các thuộc tính của chúng không được xác định duy nhất cho đến khi chúng được đo lường: có thể có nhiều hơn một kết quả.

Các nhà khoa học lượng tử thường xuyên có thể đặt các nguyên tử thành một chồng chất lượng tử – nhưng hành vi kỳ lạ như vậy sẽ biến mất đối với các vật thể lớn như quả bóng đá, chúng ở đây hoặc ở đó cho dù chúng ta có nhìn hay không. Theo những gì chúng ta biết, không phải là không thể có sự chồng chất đối với một thứ lớn như thế này – không thể duy trì nó đủ lâu để được phát hiện, bởi vì sự chồng chất dễ dàng bị phá hủy bởi bất kỳ tương tác nào với môi trường xung quanh của vật thể.

Sougato Bose, một nhà vật lý tại Đại học College London, đang dẫn đầu một nhóm các nhà nghiên cứu có kế hoạch tiếp cận bằng thực nghiệm với lực hấp dẫn lượng tử.
Sougato Bose, một nhà vật lý tại Đại học College London, đang dẫn đầu một nhóm các nhà nghiên cứu có kế hoạch tiếp cận bằng thực nghiệm với lực hấp dẫn lượng tử. Ảnh: Courtesy of Sougato Bose

Bose và các đồng nghiệp gợi ý rằng nếu chúng ta có thể tạo ra sự chồng chất lượng tử của một vật thể có kích thước trung bình giữa một nguyên tử và một quả bóng đá – một tinh thể nhỏ có đường kính khoảng một trăm nanomet, bằng kích thước của một hạt virus lớn – thì sự chồng chất đó sẽ rất rủi ro nhạy cảm với GW thoáng qua. Trên thực tế, hai trạng thái tiềm ẩn của sự chồng chất lượng tử có thể chồng chéo lên nhau giống như hai sóng ánh sáng — và sự biến dạng không-thời gian do GW gây ra sẽ xuất hiện như một sự thay đổi trong giao thoa này.

Bose cho rằng các tinh thể nano kim cương được giữ trong một khoảng không trống nhiều hơn không gian bên ngoài và được làm lạnh trong một sợi của độ không tuyệt đối có thể được giữ ở vị trí chồng chất đủ lâu để thực hiện thủ thuật này. Nó sẽ không dễ dàng, nhưng anh ấy nói rằng tất cả các thách thức kỹ thuật đã được trình bày riêng lẻ – vấn đề là đặt tất cả chúng lại với nhau. Ông nói: “Tôi không thấy trở ngại gì để làm điều đó trong 10 năm tới hoặc lâu hơn, nếu có đủ kinh phí.

Nếu những điều này và những phát triển khác dẫn đến sự bùng nổ của ngành thiên văn học GW, chúng ta sẽ thấy gì? McNamara nói: “Khi bạn mở một cửa sổ mới trên vũ trụ, bạn thường thấy những thứ mà bạn không ngờ tới. Ngoài việc xem thêm các loại sự kiện mà chúng tôi đã biết là nguyên nhân gây ra GW, chúng tôi có thể nhận được các tín hiệu mà chúng tôi không thể giải thích dễ dàng. McNamara nói: “Đó là lúc niềm vui bắt đầu.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *