“Năm 2017, các nhà thiên văn lần đầu tiên chứng kiến sự ra đời của một lỗ đen. Các máy dò sóng hấp dẫn đã thu thập các gợn sóng trong không thời gian do hai ngôi sao neutron va chạm để tạo thành lỗ đen, và các kính thiên văn khác sau đó đã quan sát được vụ nổ.”
Nhưng thực sự khó hiểu về cách lỗ đen hình thành, chuyển động của vật chất trong thời gian trước khi nó bị phong ấn bên trong chân trời sự kiện của lỗ đen, đã không được quan sát. Đó là bởi vì sóng hấp dẫn phát ra trong những khoảnh khắc cuối cùng này có tần số cao đến mức các máy dò hiện tại của chúng ta không thể thu nhận chúng.
Nếu bạn có thể quan sát vật chất bình thường khi nó biến thành một lỗ đen, bạn sẽ thấy một thứ tương tự như Vụ nổ lớn bị phát ngược. Các nhà khoa học thiết kế máy dò sóng hấp dẫn đã rất nỗ lực làm việc để tìm ra cách cải tiến máy dò của chúng ta để làm cho nó trở nên khả thi.
Hôm nay nhóm của chúng tôi sẽ xuất bản một bài báo cho thấy cách này có thể được thực hiện. Đề xuất của chúng tôi có thể làm cho các máy dò nhạy hơn 40 lần với các tần số cao mà chúng ta cần, cho phép các nhà thiên văn lắng nghe vật chất khi nó hình thành một lỗ đen.
Nó liên quan đến việc tạo ra các gói năng lượng mới kỳ lạ (hay “lượng tử”) là sự kết hợp của hai loại dao động lượng tử. Các thiết bị dựa trên công nghệ này có thể được thêm vào các máy dò sóng hấp dẫn hiện có để đạt được độ nhạy cần thiết.
Vấn đề lượng tử
Các máy dò sóng hấp dẫn như Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) ở Hoa Kỳ sử dụng tia laser để đo những thay đổi cực kỳ nhỏ trong khoảng cách giữa hai gương. Bởi vì chúng đo được những thay đổi nhỏ hơn 1.000 lần so với kích thước của một proton đơn lẻ, các tác động của cơ học lượng tử – vật lý của các hạt riêng lẻ hoặc lượng tử năng lượng – đóng một vai trò quan trọng trong cách thức hoạt động của các máy dò này.
Albert Einstein đã dự đoán hai loại gói lượng tử năng lượng khác nhau. Năm 1905, ông dự đoán rằng ánh sáng xuất hiện dưới dạng các gói năng lượng mà chúng ta gọi là các photon ; hai năm sau, ông dự đoán rằng năng lượng nhiệt và âm thanh đến trong các gói năng lượng gọi là phonon
Các photon được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại, nhưng các phonon khó khai thác hơn nhiều. Các phonon riêng lẻ thường bị bao trùm bởi một số lượng lớn các phonon ngẫu nhiên là nhiệt của môi trường xung quanh chúng. Trong máy dò sóng hấp dẫn, các phonon nảy xung quanh bên trong gương của máy dò , làm giảm độ nhạy của chúng.
Năm năm trước, các nhà vật lý nhận ra rằng bạn có thể giải quyết vấn đề không đủ độ nhạy ở tần số cao bằng các thiết bị kết hợp phonon với photon. Họ đã chỉ ra rằng các thiết bị mà năng lượng được mang trong các gói lượng tử có chung đặc tính của cả phonon và photon có thể có những đặc tính khá đáng chú ý.
Những thiết bị này sẽ liên quan đến một sự thay đổi căn bản đối với một khái niệm quen thuộc được gọi là “khuếch đại cộng hưởng”. Khuếch đại cộng hưởng là những gì bạn làm khi đẩy xích đu ở sân chơi: nếu bạn đẩy vào đúng thời điểm, tất cả các cú đẩy nhỏ của bạn sẽ tạo ra cú đánh lớn.
Thiết bị mới , được gọi là “khoang ánh sáng trắng”, sẽ khuếch đại tất cả các tần số như nhau. Đây giống như một cú xoay người mà bạn có thể đẩy vào bất kỳ thời điểm nào mà vẫn có kết quả lớn.
Tuy nhiên, vẫn chưa có ai tìm ra cách chế tạo một trong những thiết bị này, bởi vì các phonon bên trong nó sẽ bị lấn át bởi các dao động ngẫu nhiên do nhiệt gây ra.
Giải pháp lượng tử
Trong bài báo của chúng tôi , được xuất bản trên Tạp chí Vật lý Truyền thông , chúng tôi cho thấy hai dự án khác nhau hiện đang được tiến hành có thể thực hiện công việc như thế nào.
Viện Niels Bohr ở Copenhagen đã và đang phát triển các thiết bị gọi là tinh thể phononic, trong đó các dao động nhiệt được điều khiển bởi một cấu trúc giống như tinh thể được cắt thành một màng mỏng. Trung tâm Xuất sắc về Hệ thống Lượng tử Kỹ thuật của Úc cũng đã chứng minh một hệ thống thay thế trong đó các phonon bị mắc kẹt bên trong một thấu kính thạch anh siêu tinh khiết.
Chúng tôi cho thấy cả hai hệ thống này đều thỏa mãn các yêu cầu để tạo ra “tán sắc âm” – tức là lan truyền tần số ánh sáng theo dạng cầu vồng ngược – cần thiết cho các hốc ánh sáng trắng.
Cả hai hệ thống, khi được thêm vào đầu sau của các thiết bị dò sóng hấp dẫn hiện có, sẽ cải thiện độ nhạy ở tần số vài kilohertz gấp 40 lần hoặc hơn cần thiết để nghe sự ra đời của lỗ đen.
Cái gì tiếp theo?
Nghiên cứu của chúng tôi không đại diện cho một giải pháp tức thời để cải thiện máy dò sóng hấp dẫn. Có những thách thức thực nghiệm to lớn trong việc chế tạo những thiết bị như vậy thành công cụ thực tế. Nhưng nó cung cấp một lộ trình cải tiến gấp 40 lần các thiết bị dò sóng hấp dẫn cần thiết để quan sát sự ra đời của lỗ đen.
Các nhà vật lý thiên văn đã dự đoán các dạng sóng hấp dẫn phức tạp được tạo ra bởi sự co giật của các sao neutron khi chúng hình thành các lỗ đen . Những sóng hấp dẫn này có thể cho phép chúng ta lắng nghe vật lý hạt nhân của một ngôi sao neutron đang sụp đổ.
Ví dụ, nó đã được chứng minh rằng chúng có thể tiết lộ rõ ràng liệu các neutron trong ngôi sao có còn là neutron hay không hay liệu chúng có tan vỡ thành một biển quark , những hạt hạ nguyên tử nhỏ nhất trong số tất cả. Nếu chúng ta có thể quan sát neutron biến thành quark và sau đó biến mất vào điểm kỳ dị lỗ đen, thì đó sẽ là sự đảo ngược chính xác của Vụ nổ lớn, nơi ngoài điểm kỳ dị, các hạt xuất hiện và tiếp tục tạo ra vũ trụ của chúng ta.
Nguồn Phys.org
