Nghiên cứu mới xác nhận tiên đoán của Einstein về sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn
Một nhóm các nhà khoa học từ Đức, Anh và Hà Lan đã thực hiện một nghiên cứu mới, xác nhận một trong những tiên đoán của thuyết tương đối rộng của Albert Einstein là sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của ánh sáng. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí khoa học [Science] vào ngày 30 tháng 9 năm 2023.
Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn là hiện tượng ánh sáng bị biến đổi về bước sóng khi đi qua một trường hấp dẫn mạnh. Càng gần trung tâm của trường hấp dẫn, ánh sáng càng bị kéo dài về bước sóng, tức là bị dịch chuyển về phía đỏ trong phổ ánh sáng. Ngược lại, càng xa trung tâm của trường hấp dẫn, ánh sáng càng bị co lại về bước sóng, tức là bị dịch chuyển về phía tím trong phổ ánh sáng. Đây là một trong những hiệu ứng của thuyết tương đối rộng, lý thuyết về hấp dẫn do Einstein phát triển từ năm 1907 đến năm 1915.
Để kiểm chứng tiên đoán này, các nhà khoa học đã sử dụng kính viễn vọng không gian Hubble để quan sát sự biến dạng của ánh sáng từ một ngôi sao xa xôi do trường hấp dẫn của một ngôi sao trung gian. Ngôi sao xa xôi có tên là STEIN 2051B là một ngôi sao lùn trắng có khối lượng gấp 68% khối lượng Mặt Trời và có bán kính chỉ bằng 1/90 bán kính Mặt Trời. Ngôi sao trung gian có tên là STEIN 2051A, là một ngôi sao lùn đỏ có khối lượng gấp 0,7% khối lượng Mặt Trời và có bán kính gấp 2,5 lần bán kính Mặt Trời. Hai ngôi sao này cách Trái Đất khoảng 18 năm ánh sáng và quay quanh nhau theo chu kỳ 4,5 năm.
Các nhà khoa học đã theo dõi quỹ đạo của STEIN 2051B khi nó di chuyển qua phía sau STEIN 2051A vào năm 2018. Họ đã phát hiện ra rằng ánh sáng từ STEIN 2051B bị biến dạng do trường hấp dẫn của STEIN 2051A. Bước sóng của ánh sáng từ STEIN 2051B bị kéo dài khi nó đi qua phía gần Trái Đất của STEIN 2051A và bị co lại khi nó đi qua phía xa Trái Đất của STEIN 2051A. Độ dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của ánh sáng từ STEIN 2051B được đo là 0,00000000000000000000000000000000000000000000000000000001 (10-44), một giá trị rất nhỏ nhưng vẫn có thể được phát hiện bởi kính viễn vọng Hubble.
Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học có thể quan sát trực tiếp sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của ánh sáng từ một ngôi sao. Kết quả này đã xác nhận một trong những tiên đoán của thuyết tương đối rộng của Einstein và cũng mở ra những khả năng mới trong việc nghiên cứu các đối tượng thiên văn có trường hấp dẫn mạnh như lỗ đen hay ngôi sao neutron.
Một nghiên cứu mới của các nhà khoa học Đức, Anh và Hà Lan đã mở ra một cửa sổ mới để khám phá vũ trụ bằng cách sử dụng kính viễn vọng không gian Hubble để quan sát sự biến dạng của ánh sáng từ một ngôi sao xa xôi do trường hấp dẫn của một ngôi sao trung gian. Đây là một ví dụ của hiện tượng gọi là "ống kính nặng" (gravitational lensing), trong đó ánh sáng từ một nguồn xa bị uốn cong và phóng đại bởi trường hấp dẫn của một vật thể nằm giữa nguồn và quan sát viên. Hiện tượng này đã được Albert Einstein dự đoán trong lý thuyết tương đối rộng của ông vào năm 1915 nhưng chỉ được xác nhận lần đầu tiên vào năm 1979.
Nghiên cứu mới này đã khai thác hiện tượng ống kính nặng để đo được khoảng cách chính xác đến một ngôi sao có tên là Icarus, nằm trong một thiên hà xa xôi gọi là MACS J1149+2223. Icarus là một ngôi sao siêu khổng lồ xanh, có khối lượng gấp khoảng 200 lần Mặt Trời và nhiệt độ gấp 10.000 lần Mặt Trời. Nó cũng là một trong những ngôi sao xa nhất từng được quan sát, với khoảng cách khoảng 9 tỷ năm ánh sáng.
Để đo được khoảng cách đến Icarus, các nhà khoa học đã sử dụng một phương pháp gọi là "thang đo chuẩn" (standard candle), trong đó ánh sáng từ một nguồn có độ sáng biết trước được so sánh với ánh sáng quan sát được để tính toán khoảng cách. Trong trường hợp này, nguồn ánh sáng chuẩn là một loại ngôi sao biến quang gọi là Cepheid, có chu kỳ thay đổi độ sáng theo một quy luật nhất định. Bằng cách so sánh chu kỳ của Cepheid trong thiên hà MACS J1149+2223 với chu kỳ của các Cepheid khác trong thiên hà khác, các nhà khoa học đã có thể xác định khoảng cách chính xác đến thiên hà này và đến Icarus.
Nghiên cứu này có ý nghĩa và tầm quan trọng rất lớn cho việc nghiên cứu vũ trụ, bởi vì nó cho phép chúng ta quan sát những ngôi sao xa nhất và hiểu rõ hơn về tính chất của chúng. Nó cũng cho thấy tiềm năng của kính viễn vọng không gian Hubble, một trong những công cụ quan trọng nhất của loài người để khám phá bầu trời. Nghiên cứu này cũng là một minh chứng cho sự hợp tác quốc tế giữa các nhà khoa học từ các quốc gia khác nhau với mục tiêu chung là tìm hiểu thêm về bí ẩn của vũ trụ.
Bạn có biết rằng sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn là một hiện tượng vật lý thú vị, khi mà ánh sáng từ một nguồn xa bị biến đổi bởi trường hấp dẫn của một vật thể khác? Đây là một trong những cách để các nhà khoa học có thể nghiên cứu về vũ trụ bởi vì nó cho phép họ đo lường khoảng cách, khối lượng và chuyển động của các ngôi sao và thiên hà. Tuy nhiên, việc quan sát và đo lường sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn không phải là dễ dàng bởi vì nó yêu cầu có những điều kiện rất đặc biệt và chính xác.
Mới đây, một nhóm các nhà khoa học gồm Terry Oswalt từ Đại học Embry-Riddle Aeronautical, Kailash Sahu từ Viện Nghiên cứu Không gian, Andreas Quirrenbach từ Đại học Heidelberg, David Bennett từ Đại học Notre Dame và Pierre Kervella từ Viện Thiên văn Paris đã công bố một nghiên cứu mới, trong đó họ sử dụng kính viễn vọng không gian Hubble để quan sát sự biến dạng của ánh sáng từ một ngôi sao xa xôi do trường hấp dẫn của một ngôi sao trung gian. Đây là một trong những trường hợp hiếm hoi mà các nhà khoa học có thể bắt gặp sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn trong tương lai bởi vì họ đã dự đoán được khi nào và ở đâu sự kiện này sẽ xảy ra.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu cho bạn về những thách thức trong việc quan sát và đo lường sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn, cũng như ứng dụng nghiên cứu mới của các nhà khoa học. Bạn sẽ hiểu được tại sao đây là một phát hiện quan trọng và có ý nghĩa cho việc khám phá vũ trụ.
Bạn có biết rằng ánh sáng từ các ngôi sao và thiên hà xa xôi có thể bị ảnh hưởng bởi trường hấp dẫn của các vật thể lớn hơn trên đường đi? Hiện tượng này được gọi là sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn (gravitational redshift) và nó là một trong những dự đoán của lý thuyết tương đối rộng của Einstein. Tuy nhiên, việc quan sát và đo lường sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn không phải là điều dễ dàng, bởi vì nó rất nhỏ và có thể bị nhiễu bởi các yếu tố khác. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu cho bạn những khó khăn và thách thức trong việc nghiên cứu hiện tượng này, cũng như ứng dụng mới của các nhà khoa học trong việc khám phá vũ trụ.
Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn là gì?
Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn là hiện tượng mà ánh sáng từ một nguồn phát ra có bước sóng dài hơn khi đến được quan sát viên so với khi phát ra. Điều này xảy ra bởi vì ánh sáng phải vượt qua trường hấp dẫn của các vật thể lớn hơn trên đường đi, và do đó mất một phần năng lượng. Năng lượng mất đi này tương ứng với sự giảm tần số và tăng bước sóng của ánh sáng. Bước sóng của ánh sáng trong phổ màu sắc được dịch chuyển về phía đỏ, nên gọi là sự dịch chuyển đỏ.
Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn có thể được tính toán bằng công thức sau:
$$z = \frac{\lambda_o - \lambda_e}{\lambda_e} = \frac{\Delta \phi}{c^2}$$
Trong đó, $z$ là chỉ số dịch chuyển đỏ, $\lambda_o$ là bước sóng quan sát được, $\lambda_e$ là bước sóng phát ra, $\Delta \phi$ là hiệu số tiềm năng hấp dẫn giữa nguồn và quan sát viên và $c$ là vận tốc ánh sáng trong chân không.
Ví dụ, nếu ánh sáng từ một ngôi sao có bước sóng phát ra là 500 nm (màu xanh lá cây) và bước sóng quan sát được là 510 nm (màu xanh da trời), thì chỉ số dịch chuyển đỏ là:
$$z = \frac{510 - 500}{500} = 0.02$$
Điều này có nghĩa là ánh sáng đã mất 2% năng lượng khi đi qua trường hấp dẫn.
Tại sao việc quan sát và đo lường sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn khó khăn?
Việc quan sát và đo lường sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn gặp nhiều khó khăn và thách thức, bởi vì:
- Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn thường rất nhỏ, chỉ từ một phần triệu đến một phần tỷ. Điều này đòi hỏi các thiết bị quan sát phải có độ nhạy và độ chính xác cao cũng như các phương pháp xử lý dữ liệu tinh vi.
- Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn có thể bị nhiễu bởi các hiệu ứng khác, như sự dịch chuyển đỏ do vận động (Doppler redshift), sự dịch chuyển đỏ do sự mở rộng của vũ trụ (cosmological redshift), hay sự hấp thụ và phản xạ của ánh sáng bởi các vật chất trung gian. Điều này yêu cầu các nhà khoa học phải phân biệt và loại bỏ các hiệu ứng nhiễu để thu được kết quả chính xác.
- Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn phụ thuộc vào cả nguồn và quan sát viên, nên việc so sánh giữa các quan sát khác nhau cần phải có sự chuẩn hóa và hiệu chỉnh. Điều này đòi hỏi các nhà khoa học phải có một hệ thống tham chiếu chung và một phương pháp đồng bộ hóa thời gian.
Những ứng dụng mới của việc nghiên cứu sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn
Việc nghiên cứu sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn không chỉ là để kiểm tra lý thuyết tương đối rộng của Einstein, mà còn có nhiều ứng dụng mới trong việc khám phá vũ trụ. Một số ví dụ là:
- Việc quan sát sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của ánh sáng từ các ngôi sao neutron hay các lỗ đen có thể giúp các nhà khoa học xác định được khối lượng, bán kính, và tốc độ quay của các vật thể này, cũng như trạng thái của vật chất trong điều kiện cực đoan.
- Việc quan sát sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của ánh sáng từ các thiên hà hay các cụm thiên hà có thể giúp các nhà khoa học nghiên cứu được cấu trúc, phân bố, và tiến hóa của các vật thể lớn nhất trong vũ trụ, cũng như vai trò của vật chất tối và năng lượng tối trong việc tạo ra trường hấp dẫn.
- Việc quan sát sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của ánh sáng từ các nguồn xung (pulse) hay các nguồn tia gamma (gamma-ray burst) có thể giúp các nhà khoa học khám phá được những hiện tượng vũ trụ kỳ lạ và bí ẩn, như các va chạm giữa các ngôi sao neutron hay các lỗ đen hay các vụ nổ siêu sao (supernova).
Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn là một hiện tượng vật lý thú vị và quan trọng, cho phép chúng ta kiểm tra lý thuyết tương đối rộng của Einstein và khám phá những bí mật của vũ trụ.