Nhìn lại sự kiện va chạm và sáp nhập hai ngôi sao neutron

Khám phá ra sóng hấp dẫn được công bố năm 2016 đã được Science chọn là đột phá khoa học của năm 2016 và ngay năm sau đã được trao giải Nobel. Vậy tại sao sự kiện phát hiện ra sóng hấp dẫn trong năm 2017, mặc dù đi sau khám phá sóng hấp dẫn đã được trao giải Nobel lại vẫn tiếp tục nhận được sự quan tâm đặc biệt của giới khoa học khi được Science bình chọn là đột phá khoa học của năm 2017 ?

Để hiểu được tại sao phát hiện ra sóng hấp dẫn lần này, mặc dù khám phá ra sóng hấp dẫn trước đó đã được trao giải Nobel lại vẫn hấp dẫn đến thế thì cần phải trả lời câu hỏi về sự khác biệt giữa lần phát hiện ra sóng hấp dẫn lần này so với lần trước và cái mới ở đây là gì? Câu trả lời là: lần này, thay vì va chạm của 2 hố đen thì là va chạm của 2 sao neutron gây ra sóng hấp dẫn. Chúng ta đã biết, để đo được sóng hấp dẫn ở Trái đất bằng các thiết bị và công nghệ hiện nay thì chỉ có 2 đối tượng có thể sinh ra sóng hấp dẫn cảm nhận được là hố đen và sao neutron là những thiên thể khổng lồ với 3 loại sự kiện có thể xảy ra. Đó là hố đen va chạm với hố đen, hố đen va chạm với sao neutron và 2 sao neutron va chạm với nhau. Sự kiện năm 2016 đo được sóng hấp dẫn là do 2 hố đen va chạm với nhau, còn trong sự kiện năm 2017 sóng hấp dẫn đo được là xuất phát từ 2 sao neutron va chạm với nhau.

Vậy ông có thể giải thích sự khác nhau giữa 2 đối tượng này với các thiên thể khác như các ngôi sao, như Mặt trời chẳng hạn, và các hành tinh khác như trái đất của chúng ta ?

Sao neutron là trạng thái vật chất đặc nhất mà chúng ta có thể biết được. Thành phần chủ yếu của vật chất đó là neutron. Các neutron được sắp xếp sát nhau, đặc đến mức các điện tử và proton bị nén vào nhau thành neutron, không còn khoảng cách giữa điện tử và hạt nhân. Thường thì khối lượng của sao neutron cỡ xấp xỉ hoặc hơn khối lượng của Mặt trời một chút, nhưng kích thước thì nhỏ hơn kích thước của Mặt trời hàng chục nghìn lần, chỉ khoảng cỡ chục kilomet. Do đó mật độ vật chất của sao neutron rất lớn. Hố đen và sao neutron là 2 trạng thái cuối của sự phát triển của một ngôi sao sau khi nó bị sụp đổ do hấp dẫn.

Ông có thể nói rõ hơn về sự sụp đổ của một ngôi sao thành sao neutron hoặc hố đen ?

Có thể hiểu một cách đơn giản quá trình tiến triển một ngôi sao như sau: một ngôi sao hình thành khi khối vật chất chủ yếu là khí hydro bị co lại do lực hút hấp dẫn của chính nó. Càng co lại thì khối khí càng nóng do các nguyên tử hydro va chạm với nhau và tạo thành heli. Năng lượng nhiệt phát ra do phản ứng tổng hợp hạt nhân hydro thành hêli làm cho ngôi sao phát sáng và tạo ra áp suất đẩy. Khi năng lượng đẩy ra do nhiệt cân bằng với hấp dẫn thì sao phát sáng ở trạng thái cân bằng và ổn định, giống như Mặt trời của chúng ta hiện nay. Tuy nhiên đến khi hết nhiên liệu thì lực hút hấp dẫn thắng lực đẩy ra do nhiệt và sẽ làm cho ngôi sao bị suy sụp hấp dẫn biến thành sao neutron lạnh, không phát sáng hoặc co lại thành hố đen với mật độ vô hạn.

Cụ thể khi nào thì một ngôi sao suy sụp hấp dẫn thành hố đen ?

Có giới hạn về khối lượng của ngôi sao để chi phối quá trình suy sụp hấp dẫn, đó là giới hạn Chandrasekhar, đặt theo tên của nhà vật lý thiên văn người Mỹ, gốc Ấn Độ, người được trao giải Nobel năm 1983 về nghiên cứu phát triển của các ngôi sao. Khối lượng phải trên giới hạn Chandrasekhar, khoảng 1,5 lần khối lượng Mặt trời,  thì sao mới có khả năng sập thành hố đen.

Hai đối tượng là hố đen và sao neutron này có điểm gì giống và khác nhau khi gây ra sóng hấp dẫn?

Điểm giống nhau là chúng đều là những thiên thể có mật độ vật chất rất lớn và do đó ở đâu có mật độ vật chất cao thì ở đó có khả năng gây ra những xung động không thời gian tạo thành sóng hấp dẫn nếu có biến động. Còn điểm khác nhau là lời giải phương trình Einstein cho sao neutron thì rất đẹp, trơn tru, còn lời giải cho hố đen là kỳ dị, tức là có những điểm kỳ dị ví dụ như ở tâm và ở đường chân trời, ở những điểm này không thể mô phỏng lời giải trên máy tính được.

Phương trình Newton thì có lẽ ai cũng biết, phương trình Einstein thì không. Vậy giáo sư có thể giải thích sơ qua cho bạn đọc phương trình Einstein cho ta cái gì liên quan đến hấp dẫn?

Trong Thuyết tương đối rộng, Einstein đã đưa ra phương trình mô tả tương tác hấp dẫn như là hệ quả của không-thời gian bị cong đi do khối lượng và năng lượng. Người ta thường lấy hình ảnh một tấm vải căng ngang để mô tả lưới không-thời gian phẳng. Khi ta đặt một vật nặng lên mặt tấm vải đó, thì khối lượng của vật đó sẽ làm cho tấm vải đó bị cong lõm xuống và dường có lực hấp dẫn xuất hiện, kéo vật xuống hố lõm đó. Như vậy vật chất sẽ bóp méo không-thời gian và gây ra hấp dẫn. Nói một cách tóm tắt thì phương trình Eistein thiết lập mối quan hệ giữa vật chất và độ cong của không-thời gian. Vế bên phải của phương trình là vật chất, còn vế bên trái là độ cong của hình học không-thời gian. Khi hình học không-thời gian bị thay đổi theo thời gian do biến động của vật chất thì ta có sóng hấp dẫn. Giống như sự lan truyền của sóng trong môi trường, thì sóng hấp dẫn mô tả sự lan truyền của độ cong không-thời gian. Tiên đoán này của Einstein đã được LIGO kiểm chứng bằng việc đo trực tiếp các tín hiệu do sóng hấp dẫn gây ra, không chỉ một lần. Lần đầu là do sự sát nhập của 2 hố  đen, và lần cuối là năm 2017 do sự sát nhập của 2 sao neutron.

Đối với sự kiện phát hiện ra sóng hấp dẫn vào tháng 8 năm 2017, điều gì khác biệt khiến các nhà vật lý cho rằng đó chính là sóng hấp dẫn gây bởi sự va chạm và sát nhập của 2 sao neutron chứ không phải là 2 hố đen như trong lần phát hiện đầu tiên trong năm 2016 ?

So với phát hiện ra sóng hấp dẫn lần đầu tiên bởi sự va chạm của 2 hố đen khi LIGO không thấy gì ngoài sóng hấp dẫn tần số thấp với xung kéo dài chỉ khoảng vài giây, thì sự va chạm của 2 sao neutron lần này tạo ra âm thanh tần số cao hơn với cường độ kéo dài trên 100 giây. Ngoài việc tất cả các máy dò sóng hấp dẫn LIGO-Virgo đã ghi được tín hiệu sóng hấp dẫn thì trong sự kiện lần này các kính thiên văn vũ trụ-Fermi và kính thiên văn vũ trụ INTEGRAL cũng đã phát hiện thấy các tín hiệu khác, như tia gamma, tia X, dải nhìn được và dải hồng ngoại của phổ sóng điện từ trong nhiều ngày sau đó. Sự ghi nhận được đám mưa tia gamma, xung ngắn năng lượng cao ngay sau tín hiệu sóng hấp dẫn chứng tỏ chắc chắn đó là sản phẩm có nguồn gốc từ va chạm của 2 sao neutron. Đối với va chạm 2 hố đen không thể có những sản phẩm như thế.

Ông có thể cho biết ý nghĩa của việc phát hiện ra sóng hấp dẫn lần này ?

Điều ý nghĩa nhất trong việc phát hiện được sóng hấp dẫn trong năm 2017 là đã khẳng định lại một cách thuyết phục, một cách rất chặt chẽ là sóng hấp dẫn quả thực là có và quả thực là đã đo được thực sự. Ngoài ra nó còn cho chúng ta thấy ý nghĩa và tác dụng lớn lao của sự hợp tác quốc tế trong nghiên cứu khoa học, nhất là hướng vào để giải quyết những vấn đề cần rất nhiều nỗ lực chung của cộng đồng khoa học.

Xin cảm ơn ông đã dành thời gian cho buổi nói chuyện và xin chúc giáo sư một năm mới dồi dào sức khỏe, hạnh phúc và nhiều thành công trong nghiên cứu khoa học và cuộc sống.

---------------

* Bài viết đã được đăng tải trên Bản tin của Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam.