Lần đầu phát hiện sóng hấp dẫn dài hàng nghìn tỷ km

Sóng hấp dẫn mới do đài quan sát NANOGrav phát hiện đến từ hố đen siêu khối lượng lớn gấp hàng tỷ lần Mặt trời, có thể hé lộ bản chất của vũ trụ.

Các nhà thiên văn học lần đầu tiên phát hiện những gợn sóng khổng lồ trong trường không gian - thời gian. Sóng hấp dẫn lớn cỡ này được cho là đến từ hố đen siêu khối lượng sáp nhập, mỗi hố đen lớn gấp hàng tỷ lần Mặt trời, National Geographic hôm 28/6 đưa tin.

Mô phỏng hai siêu hố đen xoay tròn quanh nhau. (Ảnh: National Geographic).

Thông qua nghiên cứu biến động thời gian trong chớp vô tuyến từ xác sao quay tròn gọi là sao xung, nhóm nhà khoa học đến từ Đài quan sát Sóng hấp dẫn Nanohertz Bắc Mỹ (NANOGrav) có thể thu sóng hấp dẫn nêu trên. Nghiên cứu tương lai về chúng có thể hé lộ manh mối về những khoảnh khắc đầu tiên sau vụ nổ Big Bang, giúp khám phá bí ẩn như bản chất của vật chất tối, vốn chiếm 5/6 lượng vật chất trong vũ trụ.

Khi bất kỳ vật thể nào có khối lượng tăng tốc, nó tạo ra biến dạng gọi là sóng hấp dẫn di chuyển ở vận tốc ánh sáng, kéo căng và đè ép trường không gian - thời gian dọc đường đi. Sóng hấp dẫn được dự đoán bởi Albert Einstein năm 1916. Các nhà khoa học phát hiện bằng chứng đầu tiên của sóng hấp dẫn với Đài quan trắc sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế laser (LIGO) năm 2015.

Do ánh sáng có nhiều loại bước sóng và tần số, từ tia gamma tần số cao bước sóng ngắn tới sóng vô tuyến tần số thấp bước sóng dài, sóng hấp dẫn cũng vậy. LIGO phát hiện sóng hấp dẫn tần số cao với bước sóng khoảng 2.896 km/h. Hiện nay, nhóm nghiên cứu ở NANOGrav tìm thấy sóng hấp dẫn tần số thấp với bước sóng dài đến mức ánh sáng mất nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ để di chuyển giữa hai đỉnh của nó. Họ mô tả chi tiết phát hiện trong 5 nghiên cứu công bố trên tạp chí Astrophysical Journal Letters.

Để xác định những gợn sóng khổng lồ này, các nhà khoa học cần tập hợp cảm biến lớn hơn Trái đất. Trong 15 năm qua, NANOGrav phân tích các ngôi sao chết trong dải Ngân Hà để tạo ra một máy dò sóng hấp dẫn cỡ thiên hà. Họ tập trung vào chuẩn tinh mili giây, sinh ra khi ngôi sao đồ sộ chết trong vụ nổ siêu tân tinh, để lại xác sao quay nhanh. Tàn tích sao cực đặc phát ra chùm sóng vô tuyến kép từ cực từ, nhấp nháy như đèn hải đăng. Mỗi lần chùm sáng quét qua Trái đất, kính viễn vọng vô tuyến phát hiện một xung. Hàng trăm xung vô tuyến xuất hiện mỗi giây một cách cực kỳ chính xác.

Nhóm nghiên cứu theo dõi 68 sao xung ở cách Trái đất trong vòng vài nghìn năm ánh sáng. Do sóng hấp dẫn khiến trường không gian - thời gian co giãn, chúng làm thay đổi khoảng thời gian giữa các xung vô tuyến, khiến một số xung di chuyển chậm lại trong khi các xung khác nhanh hơn theo cách riêng biệt có thể dự đoán. Biến động này cũng được quan sát ở cặp sao xung theo mô hình phụ thuộc vào khoản cách giữa hai sao trong hệ, chứng tỏ sóng hấp dẫn ảnh hưởng tới cả hai.

Sao xung tạo ra nguồn vô tuyến rất yếu, vì vậy để tiến hành nghiên cứu này, các nhà khoa học mất hàng nghìn giờ một năm quan sát với những kính viễn vọng vô tuyến lớn nhất thế giới, gồm Đài quan sát Arecibo ở Puerto Rico, Đài quan sát Green Bank ở Tây Virginia, và cụm kính Very Large Array ở New Mexico. Nhờ đó, họ có thể phát hiện thời gian xung vô tuyến xuất hiện trong vòng một phần triệu giây.

Nhiều khả năng nguồn phát ra sóng vô tuyến mới phát hiện là cặp hố đen siêu khối lượng lớn hơn từ 100 triệu đến 10 tỷ lần Mặt trời. Ngược lại, sóng hấp dẫn mà LIGO phát hiện đến từ vụ va chạm giữa hai hố đen nhỏ hơn hoặc sao neutron có khối lượng chỉ bằng vài chục Mặt trời. Các nhà thiên văn học cho rằng hố đen siêu khối lượng nằm ở trung tâm những thiên hà lớn nhất trong vũ trụ. Khi hai thiên hà sáp nhập, hố đen ở trung tâm dịch chuyển vào lõi thiên hà mới, hình thành hệ nhị phân tạo ra sóng hấp dẫn khi hai siêu hố đen quay chậm xung quanh nhau.

Nhờ NANOGrav thu thập nhiều dữ liệu hơn theo thời gian, nhóm nghiên cứu hy vọng thiết bị đủ nhạy để xác định sóng hấp dẫn từ hệ nhị phân hố đen cụ thể. Điều này sẽ cho phép họ kết hợp phát hiện với các đài quan sát khác nhằm phân tích mục tiêu, sử dụng cả ánh sáng và lực hấp dẫn.