Lần đầu tiên phát hiện được sóng hấp dẫn 100 năm sau dự đoán của Einstein
+ Trả lời bài viết
Hiện kết quả từ 1 tới 5 của 5

Chủ đề: Lần đầu tiên phát hiện được sóng hấp dẫn 100 năm sau dự đoán của Einstein

  1. #1
    Phó nhóm Kiến thức Avatar của HL_Xen
    Tham gia ngày
    Jul 2010
    Bài gửi
    1.275

    Cấp: 45 [?]
    Kinh Nghiệm: 4.612.140
    Lên cấp cần: 5.107.448

    Thanks
    866
    Thanked 1.525 Times in 511 Posts

    Lần đầu tiên phát hiện được sóng hấp dẫn 100 năm sau dự đoán của Einstein

    Lần đầu tiên phát hiện được sóng hấp dẫn 100 năm sau dự đoán của Einstein


    Ngày 11/2/2016, các nhà khoa học đến từ Đài Quan sát Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) tuyên bố lần đầu tiên phát hiện được sóng hấp dẫn. Đây là bước ngoặt quan trọng trong lịch sử khoa học, không những khẳng định lý thuyết tương đối rộng của Einstein mà còn mở ra chân trời mới trong việc nghiên cứu vũ trụ.

    Để hiểu rõ hơn về phát hiện quan trọng này, trước tiên hãy cùng nhau tìm hiểu về bản chất của lực hấp dẫn. Như Einstein đã từng nói: "Trí tưởng tượng quan trọng hơn kiến thức", hãy cùng nhau làm 1 thí nghiệm tưởng tượng (thought experiment) như sau nhé

    "Giả sử Mặt Trời đột nhiên biến mất, hỏi sau bao lâu thì chúng ta cảm nhận được điều đó trên Trái Đất?"

    Ánh sáng từ Mặt Trời truyền đến Trái Đất mất hơn 8 phút với vận tốc c ≈ 300 000km/s. Vì vậy phải hơn 8 phút sau, ta mới nhìn thấy Mặt Trời biến mất. Ngoài ra, khi không còn chịu tác dụng của lực hấp dẫn từ Mặt Trời, quỹ đạo của Trái Đất cũng sẽ thay đổi và ta hoàn toàn có thể phát hiện ra điều này.

    Vậy nếu lực hấp dẫn tác dụng lên Trái Đất tức thời biến mất, ta sẽ tức thời biết được sự biến mất của Mặt Trời, trong khi phải 8 phút sau ta mới nhìn thấy điều đó. Điều này mâu thuẫn với lý thuyết tương đối hẹp mà Einstein đã xây dựng trước đó: không thể truyền thông tin nhanh hơn vận tốc ánh sáng

    Và thế là Einstein đã xây dựng thêm Lý thuyết Tương đối Rộng (1915) để giải quyết nghịch lý này:

    Theo thuyết tương đối rộng, bản chất của lực hấp dẫn chính là sự uốn cong của không thời gian. Một vật thể có khối lượng như Mặt Trời sẽ uốn cong không thời gian xung quanh nó. Các vật thể rơi tự do như Trái Đất sẽ chuyển động trên các "đường thẳng", hay chính xác hơn là các đường trắc địa (geodesics) trong không thời gian cong này.



    Einstein tiên đoán sự biến dạng này của không thời gian cũng có thể lan truyền như sóng nước. Đó chính là sóng hấp dẫn. Theo lý thuyết tương đối rộng, sóng hấp dẫn lan truyền với vận tốc ánh sáng c. Vì vậy phải hơn 8 phút sau khi Mặt Trời biến mất, quỹ đạo của Trái Đất mới thay đổi. Nghịch lý đã được giải quyết



    Về mặt lý thuyết, ta có thể "thấy" được sóng hấp dẫn thông qua sự biến dạng của không thời gian. Tuy nhiên ngay cả với những nguồn phát mạnh trong vũ trụ, trên Trái Đất sự biến dạng do sóng hấp dẫn gây ra là vô cùng nhỏ, vào cỡ < 10^−20. Nếu Tôn Ngộ Không cho mượn cây gậy như ý dài 100km, sóng hấp dẫn sẽ làm cho cây gậy này co dãn 1 đoạn bằng kích thước của 1 proton. Làm thế nào để đo được chiều dài nhỏ như vậy? Đây chính là rào cản lớn nhất trong công cuộc tìm kiếm sóng hấp dẫn.

    Để giải quyết bài toán này, các nhà khoa học đã xây dựng hệ thống Đài Quan sát Giao thoa kế Laser LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). Về cơ bản, đây là hệ giao thoa kế Michelson. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống này như sau:



    Nguồn laser chiếu tới 1 gương bán mạ (beam splitter) đặt nghiêng 45° và tách thành 2 tia giống nhau. Tia 1 đi xuyên qua gương bán mạ, tia 2 phản xạ và bẻ góc 90°. 2 tia này đi tới 2 gương phẳng ở cuối mỗi nhánh rồi phản xạ ngược trở lại gương bán mạ.

    Tại đây, các tia này tiếp tục được tách thành 2 phần, trong đó 1 phần tia 1 phản xạ và bẻ góc 90° tới máy thu, 1 phần tia 2 đi xuyên qua gương bán mạ tới máy thu. Khi đó, sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa giữa 2 tia này.

    Đối với hệ thống LIGO, nếu quãng đường đi được của 2 tia là như nhau (hay chiều dài 2 nhánh là như nhau) thì 2 tia sáng sẽ triệt tiêu lẫn nhau và không có tín hiệu tới máy thu. Trong trường hợp chiều dài 2 nhánh có sự chênh lệch dù rất nhỏ, tín hiệu thu được sẽ có sự thay đổi tương ứng. Sóng hấp dẫn làm biến dạng không thời gian và do đó, làm thay đổi chiều dài 2 nhánh. Nếu đo được sự thay đổi này, ta có thể tìm ra sóng hấp dẫn.

    Chiều dài mỗi nhánh của LIGO là 4 km. Tuy nhiên, nhờ sử dụng hệ thống gương phản xạ (buồng cộng hưởng Fabry - Pérot), quãng đường di chuyển của tia laser được nâng lên 1600 km! Để phân lập tín hiệu sóng hấp dẫn, các nhà khoa học xây dựng 2 trạm LIGO Livingston và Hanford cách nhau 3,002 km (tương ứng với quãng đường ánh sáng đi được trong 10 ms) cùng với hệ thống khử rung động từ môi trường để loại trừ nhiễu cục bộ.




    LIGO Livingston - Louisiana



    LIGO Hanford - Washinton

    Vào lúc 09:50:45 UTC ngày 14/9/2015, 2 trạm LIGO lần lượt quan sát được tín hiệu GW150914 cách nhau 6.9(+0.5/-0.4) ms. Tín hiệu thu được tương ứng với sóng hấp dẫn phát ra từ quá trình quay quanh nhau và sáp nhập của 2 hố đen theo lý thuyết tương đối rộng. Các giá trị tính toán được như sau:

    Khối lượng của 2 hố đen này lần lượt là 36(+5/-4)29(+4/-4) M☉.
    Khối lượng của hố đen mới sau khi sáp nhập là 62(+4/-4) M☉, trong đó M☉ là khối lượng Mặt Trời ≈ 1.99× 10^30 kg
    Khoảng cách đo được dựa trên độ trưng là 410(+180/-160) Mpc, trong đó 1 Mpc ≈ 3.09× 10^19 km


    Tín hiệu GW150914 quan sát được bởi LIGO Hanford (H1) và Livingston (L1)


    Quá trình sáp nhập hố đen theo tính toán


    So sánh tín hiệu thu được và lý thuyết của Einstein

    Tín hiệu sóng hấp dẫn phát dưới dạng sóng âm thanh. 2 lần đầu âm thanh được phát ở tần số sóng hấp dẫn. 2 lần sau âm thanh được đẩy lên tần số cao hơn để phù hợp hơn với ngưỡng nghe của con người. 2 lần cuối âm thanh được phát lại ở tần số gốc.




    Vị trí nguồn phát sóng hấp dẫn. Đường màu tím thể hiện mức tin cậy 90%. Đường màu vàng thể hiện mức tin cậy 10%

    Clip mô phỏng quá trình sáp nhập 2 hố đen:







    Tham khảo link bài báo gốc:
    B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration), “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger,” Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).
    http://journals.aps.org/prl/abstract...ett.116.061102


    Nguyễn Tùng Lâm
    Hội Thiên văn Nghiệp dư Hà Nội HAS
    Lần sửa cuối bởi HL_Xen; 07-10-2017 lúc 01:20 PM

  2. The Following 7 Users Say Thank You to HL_Xen For This Useful Post:

    dohoainam (15-02-2016), dongphong181 (20-02-2016), hanhtr246 (08-11-2016), hoangle10tin (29-02-2016), jupi jupiter (13-02-2016), Oldstar (13-02-2016), Perseus (13-02-2016)

  3. #2
    Hội Viên Hội Thiên Văn Nghiệp Dư Hà Nội Avatar của jupi jupiter
    Tham gia ngày
    Nov 2011
    Bài gửi
    65

    Cấp: 29 [?]
    Kinh Nghiệm: 201.659
    Lên cấp cần: 242.754

    Thanks
    324
    Thanked 149 Times in 39 Posts
    Lâu lắm k vào diễn đàn, vừa phải đăng nhập để thank phát :d . Bài viết chi tiết và dễ hiểu hơn nhiều . dù đôi chỗ vẫn chưa hiểu hết :v
    Kiểu gì cũng đc Nobel rồi

  4. #3
    Trưởng nhóm kỹ thuật Avatar của Oldstar
    Tham gia ngày
    Jul 2011
    Bài gửi
    999

    Cấp: 43 [?]
    Kinh Nghiệm: 3.249.709
    Lên cấp cần: 3.609.430

    Thanks
    926
    Thanked 1.491 Times in 484 Posts
    Làm sao mà họ có thể xác định được sóng hấp dẫn này phát ra từ vụ sáp nhập của 2 lỗ đen đó nhỉ?

  5. #4
    Phó nhóm Kiến thức Avatar của HL_Xen
    Tham gia ngày
    Jul 2010
    Bài gửi
    1.275

    Cấp: 45 [?]
    Kinh Nghiệm: 4.612.140
    Lên cấp cần: 5.107.448

    Thanks
    866
    Thanked 1.525 Times in 511 Posts
    Chỉ trong vòng 0.2 giây, tín hiệu tăng lên cả tần số lẫn biên độ trong khoảng 8 chu kỳ từ 35 Hz lên đến cực đại 150 Hz. Cách giải thích xác đáng nhất cho biến trình này là chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc của 2 khối lượng, m1 và m2, do sự phát xạ sóng hấp dẫn. Dựa trên tín hiệu này, người ta tính được tổng khối lượng của cả 2 vật thể M = m1 + m2 ≳ 70 M☉ (khối lượng Mặt Trời), từ đó giới hạn tổng bán kính Schwarzschild của 2 vật thể 2GM/c2 ≳ 210 km. Để đạt được tần số quỹ đạo 75 Hz (một nửa tần số sóng hấp dẫn), các vật thể này phải ở rất gần nhau và rất đặc. Các chất điểm Newton tương ứng chuyển động theo quỹ đạo này sẽ chỉ cách nhau ≃350 km.

    Một cặp sao neutron mặc dù đặc nhưng vẫn không đủ khối lượng cần thiết. Trong khi đó, một cặp sao neutron và lỗ đen sẽ có tổng khối lượng rất lớn, do đó sẽ sáp nhập ở tần số thấp hơn nhiều. Vì vậy, chỉ có các hố đen là đối tượng duy nhất đã biết đủ đặc để đạt đến tần số quỹ đạo 75 Hz mà không tiếp xúc với nhau. Ngoài ra, quá trình phân rã của dạng sóng sau khi đạt đỉnh cũng phù hợp với các dao động tắt dần của 1 hố đen đang ổn định dần về cấu hình Kerr dừng cuối cùng.

  6. Đã cảm ơn HL_Xen cho bài viết:

    haitrieu119 (20-02-2016)

  7. #5
    Người yêu thiên văn học Avatar của Newstar
    Tham gia ngày
    Jul 2017
    Bài gửi
    38

    Cấp: 22 [?]
    Kinh Nghiệm: 39.792
    Lên cấp cần: 49.025

    Thanks
    4
    Thanked 0 Times in 0 Posts
    Đúng là những người có bộ óc thiên tài mới phát hiện được nhỉ

+ Trả lời bài viết

Facebook comment

Quyền viết bài

  • Bạn không thể gửi chủ đề mới
  • Bạn không thể gửi trả lời
  • Bạn không thể gửi file đính kèm
  • Bạn không thể sửa bài viết của mình