Đo lường sự kiện

Khung hình trên: Ước lượng biên độ biến dạng sóng hấp dẫn từ GW150914 chiếu lên trạm H1. Biểu đồ dạng sóng đầy đủ trong quá trình chuyển động xoáy tròn, va chạm hợp nhất và dao động tắt dần (ringdown). Hình ảnh cho thấy mô hình mô phỏng theo phương pháp số trong thuyết tương đối (numerical relativity) của chân trời sự kiện lỗ đen trong quá trình sáp nhập. Khung hình dưới: Khoảng cách giữa các hố đen cho theo đơn vị bán kính Schwarzschild (RS=2GM/c2) và vận tốc tương đối của chúng theo tham số hậu-Newton v/c=(GMπf/c3)1/3, với f là tần số sóng hấp dẫn được tính từ phương pháp số và M là khối lượng tổng cộng của hệ.

Ngày 14 tháng 9 năm 2015 lúc 9:50:45 UTC, LIGO đã lần đầu tiên thu được tín hiệu sóng hấp dẫn của sự kiện GW150914. Các đợt sóng lan truyền đến Trái Đất từ bán cầu nam, băng qua Trái Đất và xuất hiện tại bề mặt Trái Đất đầu tiên ở giao thoa kế nằm ở Livingston, Louisiana, và sau đó 7 mili giây, tại giao thoa kế nằm ở Hanford, Washington.[2][8] Các thiết bị LIGO đang hoạt động trong "chế độ kỹ thuật", có nghĩa là chúng đang hoàn toàn hoạt động nhưng vẫn chưa chính thức bắt đầu giai đoạn "thu thập" (mà sẽ hoạt động kể từ ngày 18 tháng 9), do đó lúc đầu các thành viên trong Nhóm Hợp tác Khoa học LIGO đặt nghi vấn liệu có phải đây là tín hiệu thật hay là dữ liệu mô phỏng cho mục đích kiểm tra thử trước khi nó được các thành viên thông báo rằng đây không phải là tín hiệu nhân tạo giả.[46]

Tín hiệu quét tần (hay di tần - chirp signal) kéo dài trong 0,2 giây, với tần số và biên độ tăng dần trong khoảng 8 chu kỳ từ 35 Hz đến 150 Hz.[1] Mặc dù không phải là âm thanh, khoảng tần số của tín hiệu có giá trị nằm trong khoảng nghe được đối với tai người và được miêu tả nghe giống như tiếng chim hót.[2] Các nhà thiên văn vật lý và những ai quan tâm tới sự kiện này trên toàn thế giới đều rất phấn khích và tự tạo ra tín hiệu âm thanh như thế trên các trang truyền thông xã hội vào thời điểm thông báo khám phá này.[2][47][48][49] Sự tăng tần số bởi vì quỹ đạo của hai vật thể trở lên quay nhanh hơn một cách đáng kể so với trước đó, trong giai đoạn chuyển động xoáy ốc vào nhau trước khi hợp nhất.

Chương trình kích hoạt thông báo khả năng vừa phát hiện sóng hấp dẫn truyền qua đã thông báo cho các nhà nghiên cứu biết chỉ trong vòng ba phút sau khi thu được sự kiện, nhờ sử dụng thuật toán tìm kiếm nhanh ('trực tuyến') cung cấp dữ liệu phân tích sơ bộ từ dữ liệu đo được của các thiết bị.[1] Sau báo động tự động vào lúc 09:54 UTC mà hai nhà nghiên cứu ở Viện Vật lý Hấp dẫn Max Planck (Viện Albert Einstein, AEI) nhận được đầu tiên, một loạt các thư nội bộ gửi tới xác nhận việc đã không có một kế hoạch hoặc bất ngờ tạo ra tín hiệu nhân tạo giả nào được thực hiện, và dữ liệu trông rất nét.[44][50] Sau vài ngày, các thành viên trong nhóm hợp tác nhận ra khả năng đây là tín hiệu thật và bắt đầu nghiên cứu tìm hiểu các tham số từ nguồn phát.[51]

Phân tích thống kê dữ liệu một cách chi tiết hơn, và trong vòng 16 ngày thu thập dữ liệu từ 12 tháng 9 đến 20 tháng 10 năm 2015, với tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu bằng 24 và ước lượng tỷ lệ thông báo giả là nhỏ hơn 1 sự kiện trên 203.000 năm, tương đương với ý nghĩa trên 5,1σ hoặc mức tin cậy bằng 99,99994%, nhóm Hợp tác Khoa học LIGO đã xác nhận GW150914 là một sự kiện thật.[52] Sóng cực đại được phát hiện ở Livingston sớm hơn 7 mili giây so với ở Hanford. Sóng hấp dẫn lan truyền với tốc độ ánh sáng, sự chênh lệch là khớp với quãng thời gian ánh sáng truyền trong khoảng cách giữa hai trạm.[1] Chúng đã truyền trong Vũ trụ hơn một tỷ năm về trước.[53]

Ở thời điểm xảy ra sự kiện, trạm quan trắc sóng hấp dẫn Virgo (gần Pisa, Italia) đang ngừng hoạt động để tiến hành nâng cấp; nếu nó được bật sớm thì sẽ đủ nhạy sau khi nâng cấp để thu được tín hiệu này, do vậy nâng cơ hội xác định được vị trí nguồn phát ra sóng hấp dẫn.[2] Cơ sở GEO600 (gần Hannover, Đức) mặc dù đang hoạt động nhưng không đủ nhạy để bắt tín hiệu.[1] Do đó không một trạm độc lập nào khác có thể xác nhận tín hiệu đo được bởi hai trạm của LIGO.[2]

Nguồn gốc thiên văn vật lý

Ảnh mô phỏng hai hố đen trong quá trình sáp nhập và tạo ra sóng hấp dẫn.

Sự kiện diễn ra ở khoảng cách độ sáng (luminosity distance) bằng &0000000000000410.000000410+160
−180 megaparsec[1][54] (xác định từ biên độ sóng của tín hiệu),[2] hay 1,3 ± 0,6 tỷ năm ánh sáng, tương ứng với dịch chuyển đỏ vũ trụ bằng &0000000000000000.0900000.09+0.03
−0.04 (90% khoảng tin cậy). Phân tích tín hiệu cùng với giá trị dịch chuyển đỏ rút ra được sự kiện này do quá trình sáp nhập của hai hố đen với khối lượng &0000000000000036.00000036+5
−4 lần và 29 ± 4 lần khối lượng Mặt Trời (trong hệ quy chiếu của nguồn phát), tạo thành một lỗ đen mới với khối lượng 62 ± 4 lần khối lượng Mặt Trời.[54] Khối lượng–năng lượng bị thiếu bằng &0000000000000003.0000003.0+0.5
−0.5 M☉ được phát đi dưới dạng sóng hấp dẫn.[1]

Trong 20 mili giây cuối của quá trình hợp nhất, công suất của sóng hấp dẫn đạt cực đại bằng 3,6×1049 watt – bằng 50 lần lớn hơn[55] công suất ánh sáng phát ra từ mọi ngôi sao trong Vũ trụ quan sát được.[1][2][12][13]

Trong khoảng thời gian ngắn 0,2 giây mà thiết bị đo được, vận tốc tiếp tuyến tương đối (trên quỹ đạo) của các lỗ đen tăng từ 30% đến bằng khoảng 60% tốc độ ánh sáng. Tần số quỹ đạo 75 Hz (hố đen bay được 75 vòng quỹ đạo trong một giây, bằng một nửa tần số sóng hấp dẫn) có nghĩa là các vật thể đang quay quanh nhau ở bán kính chỉ khoảng 350 km trước khi chúng sáp nhập. Pha sóng thay đổi sự phân cực của tín hiệu cho phép tính ra tần số quỹ đạo của các vật thể, và kết hợp với biên độ và dạng sóng cho phép tính ra khối lượng của chúng cũng như vận tốc quỹ đạo và khoảng cách nhau trong giai đoạn cuối cùng trước khi sáp nhập. Các giá trị thu được chỉ ra rằng hai vật thể này phải là các hố đen, bởi vì những loại vật thể khác khó có thể có một khối lượng lớn nén vào một vùng đủ nhỏ để chúng có thể tiến đến rất gần nhau mà chưa chạm tới nhau, hoặc chúng khó có thể đạt tới vận tốc quỹ đạo lớn đáng kể so với tốc độ ánh sáng khi quay trên một quỹ đạo nhỏ như vậy nếu không phải là hố đen. Sao neutron có khối lượng lớn nhất mà từng phát hiện được là khoảng 2 M☉, với giới hạn trên theo tính toán lý thuyết để một sao neutron ổn định là vào khoảng 3 M☉, do vậy một cặp sao neutron sẽ không đủ khối lượng cho hệ đã hợp nhất (ngoại trừ có một khả năng khác, ví dụ sao boson),[1][54] trong khi hệ lỗ đen-sao neutron sẽ va chạm sớm hơn, khiến cho tần số quỹ đạo lúc cuối cùng mà thiết bị thu được sẽ không quá lớn.[1]

Sự suy giảm của dạng sóng sau khi biên độ đạt cực đại là tương thích với dao động tắt dần của một hố đen khi nó trở về trạng thái dừng và ổn định sau khi hợp nhất.[1] Mặc dù chuyển động xoáy ốc của các hệ đôi compact được miêu tả khá tốt từ phương pháp tham số hậu-Newton,[56] giai đoạn hợp nhất của các trường hấp dẫn mạnh chỉ có thể giải được hoàn toàn bằng những mô phỏng phức tạp trên siêu máy tính theo phương pháp số trong thuyết tương đối (numerical relativity) do bản chất phi tuyến của nghiệm phương trình trường Einstein.[57][58][59]

Vật thể sau va chạm hợp nhất là một lỗ đen quay Kerr với tham số spin bằng &0000000000000000.6700000.67+0.05
−0.07,[1][28] hay khoảng 2/3 giá trị lớn nhất mà một lỗ đen quay có thể đạt được.

Hai ngôi sao cổ mà tiến hóa thành hai lỗ đen ở thời điểm 2 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn có khối lượng ước tính lần lượt bằng 96 và 60 lần khối lượng Mặt Trời.[60][61]

Vị trí trên bầu trời

Các thiết bị đo sóng hấp dẫn có miền theo dõi là toàn bộ bầu trời với ít khả năng phân giải vị trí của nguồn phất nếu chỉ có hai thiết bị. Một mạng lưới các thiết bị đo là cần thiết để định ra vị trí của nguồn trên bầu trời thông qua phép đạc tam giác. Chỉ với hai trạm của LIGO ở trong chế độ quan sát và đạt đủ độ nhạy, các nhà khoa học chỉ có thể tìm ra vị trí nguồn phát GW150914 nằm trong một miền giới hạn trên bầu trời. Điều này được thực hiện thông qua phân tích độ trễ thời gian &0000000000000006.9000006.9+0.5
−0.4 ms giữa hai trạm, cùng với biên độ và pha sóng thu được giống nhau ở cả hai trạm. Kết quả họ thu được một miền có diện tích 140 deg2 với xác suất tìm thấy vị trí là 50% hoặc miền 590 deg2 với xác suất tìm thấy 90% và nằm chủ yếu ở thiên cầu nam,[54] theo hướng đến (nhưng nằm xa hơn nhiều) đám mây Magellan.[2][8]

So sánh bằng hình ảnh tương tự, diện tích 590 deg2 của góc khối choán xác suất 90% xấp xỉ bằng diện tích biểu kiến của một số chòm sao như Lạp Hộ, Thiên Hậu, và Tiên Vương.[62]

Quan sát đồng thời qua tia gamma

Thiết bị theo dõi chớp gamma (GBM) trên Kính thiên văn Không gian tia gamma Fermi đã đo được một chớp gamma yếu có năng lượng trên 50 keV ngay sau 0,4 giây khi Advanced LIGO phát hiện sự kiện và miền vị trí của chớp nằm giao với miền của nguồn phát GW150914. Mặc dù các nhà khoa học không chắc rằng hai sự kiện này có chung một nguồn gốc, hoặc chớp gamma là do một tác nhân nhiễu, đội Fermi tính toán rằng nguyên nhân nhiễu gây ra sự trùng hợp có xác suất chỉ khoảng 0.22%.[63]

Tuy nhiên, các quan sát từ kính thiên văn không gian tia gamma INTEGRAL, thông qua thiết bị SPI-ACS, cho thấy lượng năng lượng trong bức xạ tia gamma và tia X cứng phát ra nhỏ hơn một phần triệu năng lượng phát ra dưới dạng sóng hấp dẫn, và họ kết luận rằng "giới hạn này loại trừ khả năng sự kiện sóng hấp dẫn là có liên quan tới chớp gamma, mà đã truyền thẳng tới các trạm quan sát."[64]

Một nhóm nhà vật lý thiên văn đã phân tích một cách độc lập, và công bố kết quả vào tháng 6 năm 2016. Họ đã phát triển một phương pháp thống kê hiệu quả hơn để phân biệt tín hiệu bức xạ nền từ những sự kiện thực. Nhóm đi tới kết luận rằng dữ liệu từ kính thiên văn Fermi sau 0,4 giây từ sự kiện GW150914 không phải là của một chớp tia gamma, mà chỉ đơn giản là bức xạ nền, như được chỉ ra trong phân tích phức tạp này.[65][66]

Quá trình sáp nhập hai hố đen mà phát ra sóng hấp dẫn được cho là sẽ không tạo ra chớp gamma, bởi vì có ít lượng khí bay quanh các cặp hố đen khối lượng sao. Abraham Loeb tính toán rằng nếu một ngôi sao khối lượng lớn có tốc độ tự quay rất nhanh quanh trục, lực ly tâm tạo ra trong quá trình suy sụp hấp dẫn sẽ đưa đến hình một thanh vật chất quay dạng như quả tạ mà chia tách thành hai khối vật chất đặc rồi sau đó hình thành lên cặp lỗ đen khối lượng sao, và tại lúc kết thúc suy sụp của ngôi sao nó sẽ phát ra chớp gamma.[67][68] Loeb đề xuất sự trễ 0,4 giây là thời gian để chớp gamma vượt qua đường kính của ngôi sao, so với sóng hấp dẫn.[67][69]

Những quan sát tiếp theo

Vùng trời chứa nguồn phát được tái dựng sau đó là mục tiêu quét dõi theo bởi các kính thiên văn qua các bước sóng vô tuyến, quang học, hồng ngoại gần, tia X, và tia gamma cũng như từ các trạm thăm dò neutrino.[54]

Kính thiên văn ANTARES không thu được một neutrino nào trong quãng thời gian ±500 giây của GW150914. Trạm quan trắc neutrino IceCube thu được ba neutrino trong vòng ±500 giây của GW150914. Một sự kiện đến từ bầu trời phía nam và hai đến từ bầu trời phía bắc. Số lượng ba hạt là phù hợp với dự đoán về mức độ cơ bản có thể phát hiện ra neutrino. Không một hạt nào nằm trong vùng diện tích mà xác suất 90% sẽ tìm thấy nguồn sự kiện GW150914.[70] Mặc dù không neutrino nào có liên quan tới sự kiện này được phát hiện, sự vắng mặt này đã cung cấp một giới hạn cho các neutrino liên quan tới sự kiện.[70]

Quan sát từ Kính thiên văn chớp tia gamma Swift với mục tiêu là các thiên hà gần ở trong vùng khả nghi, hai ngày sau sự kiện, đã không thu được bất kỳ một nguồn tia X, quang học hay cực tím mới nào.[71]

Thông cáo báo chí

Bài báo trên tạp chí Physical Review Letters về phát hiện GW150914, nhấp chuột để xem nội dung.

Ngày 11 tháng 2 năm 2016[2] đã có một buổi họp thông cáo tại trung tâm hội nghị báo chí ở Washington, D.C. với sự có mặt của David Reitze, giám đốc điều hành của LIGO Caltech,[4] cùng Gabriela González, Rainer Weiss và Kip Thorne, đến từ LIGO, và France A. Córdova, giám đốc Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF).[2]

Bài báo đăng phát hiện đã được xuất bản trong thời gian diễn ra buổi họp trên tạp chí Physical Review Letters và được truy cập tự do,[1] với các bài báo tiếp theo được công bố sau đó [18] hoặc được đặt dưới dạng tiền bản in.[72]

Đồng thời với khoảng thời gian tổ chức họp báo ở Washington, D.C., Barry Barish đã có một buổi thuyết trình về nội dung khoa học trước cộng đồng các nhà vật lý, tổ chức tại CERN ở Geneva, Thụy Sĩ.[73]

Giải thưởng và công nhận

Tháng Năm 2016, toàn bộ các nhà khoa học trong nhóm cộng tác cùng những nhà khoa học có đóng góp quan trọng khác ngoài nhóm, và đặc biệt là 3 nhà khoa học Ronald Drever, Kip Thorne, và Rainer Weiss đã được trao giải Đặc biệt của Giải Đột phá trong Vật lý cơ bản cho phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn.[74] Drever, Thorne, Weiss, và nhóm Hợp tác khoa học LIGO cũng nhận được Giải Gruber trong Vũ trụ học.[75] Tháng Sáu 2016, Drever, Thorne, và Weiss được trao Giải Kavli trong lĩnh vực Thiên văn vật lý và Giải Shaw trong Thiên văn học.[76]

Bary Barish đã nhận Giải Enrico Fermi 2016 từ Hội Vật lý Ý (Società Italiana di Fisica).[77] Tháng 1 năm 2017, phát ngôn viên của LIGO Gabriela González và đội LIGO được trao Giải Bruno Rossi 2017.[78]

Gabriela González, Peter Saulson, David Reitze và đội LIGO đã nhận "Giải thưởng Khám phá Khoa học" 2017 (NAS Award for Scientific Discovery); Bary Barish và Stan Whitcomb đã nhận "Huy chương Henry Draper" 2017, cả hai giải thưởng đều của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.[79]

Ba nhà vật lý Rainer Weiss, Barry C. Barish và Kip S. Thorne được trao giải Nobel Vật lý 2017 "cho những đóng góp quyết định đối với dự án LIGO và quan sát sóng hấp dẫn".