Nhật Bản: Máy dò săn tìm sóng hấp dẫn

Máy dò KAGRA được đặt dưới chân núi Ikenoyama, gần bờ biển phía bắc đảo Honshu, Nhật Bản. Nguồn: Asahi Shimbun via Getty

Bên trong đống dàn giáo có kích thước to bằng ngôi nhà được quấn trong các lớp nhựa dầy, Takayuki Tomaru trong bộ trang phục phòng sạch. Nhà vật lý này đang phụ trách một trong những nhiệm vụ quan trọng và có độ khó bậc nhất của việc xây dựng một đài quan sát sóng hấp dẫn: lắp đặt một trong bốn gương phản xạ của máy, mỗi chiếc là một khối hình trụlàm bằng sapphire rắn nặng 23kg vẫn được biết đến như một khối lượng chuẩn trong đo đạc.

Khi được vận hành vào cuối năm nay, công việc của họ sẽ là chiếu những chùm tia laser hồng ngoại vào dọc hai ống chân không dài 3km, sẵn sàng nhận biết sự truyền dẫn của sóng hấp dẫn.

KAGRA, đài quan sát sóng hấp dẫn Kamioka với tổng kinh phí đầu tư 26,4 tỷ yên (tương đương 148 triệu USD) sẽ hoạt động trên cùng nguyên lý như hai máy dò ở đài quan sát sóng hấp dẫn bằng giao thoa kế (LIGO) ở Mỹ và Virgo ở Ý. Trong vài năm gần đây, các cỗ máy này bắt đầu dò được sóng hấp dẫn – những gợn sóng đã tồn tại từ lâu trong bề mặt không – thời gian được các sự kiện lớn của vũ trụ như sự sáp nhập của hai lỗ đen hoặc sự va chạm của hai ngôi sao neutron tạo ra.

Với việc gia nhập của KAGRA, mạng lưới các máy dò toàn cầu đang được mở rộng này sẽ có khả năng cho phép các nhà vật lý thiên văn định vị được vị trí của những tín hiệu vũ trụ mờ nhạt này trên bầu trời với độ chính xác ngày càng tăng lên. Họ sẽ có khả năng phân tích các tính năng của sóng hấp dẫn đó, như chúng được định hướng như thế nào trong vũ trụ, tốt hơn nhiều so với trước đây, cho phép họ nghiên cứu nhiều hơn về các vật thể vũ trụ vẫn được coi là khó nắm bắt đã tạo ra chúng.

Nhưng KAGRE không chỉ giống như các máy dò hiện này mà còn hứa hẹn sẽ tạo ra một nền tảng mới theo nhiều cách và có thể chứng minh là một thiết bị thử nghiệm quan trọng cho những máy dò tương lai. “KAGRA đang thực hiện các thử nghiệm xuất phát từ hai ý tưởng có thể đóng vai trò quan trọng với tương lai của các nhà thiên văn sóng hấp dẫn”,Rainer Weiss – nhà vật lý tại MIT tại Cambridge và là người đồng sáng lập LIGO, nói.

Ý tưởng đầu tiên là chiếc giao thoa kế chính đầu tiên được xây dựng dưới lòng đất. Hai cánh tay của nó kéo dài bên trong các đường hầm dưới núi Ikenoyama, gần bờ biển phía bắc Nhật Bản. “Chúng tôi tin rằng đây là một lợi thế bởi vì nhiễu địa chấn ở dưới lòng đất có độ lớn thường nhỏ hơn hai bậc, Takaaki Kajita, một nhà vật lý tại trường đại học Tokyo và là thành viên chính của KAGRA, nói.

Và trong khi các gương phản xạ của LIGO và Virgo được vận hành tại nhiệt độ phòng thì các gương phản xạ của KAGRA sẽ được giữ trong điều kiện nhiệt độ rất lạnh cỡ 20 kevin để cắt giảm tiếng ồn từ các dao động nhiệt.

Nếu KAGRA hoạt động như kế hoạch đã định, nó có thể cung cấp những know-how cốt yếu về lĩnh vực này. Việc sử dụng kỹ thuật làm lạnh cryo có thể là thiết yếu để các máy dò tương lai cải thiện độ nhạy, David Shoemaker, một nhà vật lý tại MIT ở Cambridge và là người phát ngôn của LIGO, nhận xét.

Cuộc chạy đua dò sóng hấp dẫn

Nhật Bản mới bắt đầu bước vào cuộc chạy đua dò sóng hấp dẫn, vốn được Albert Einstein dự đoán hơn một thế kỷ trước. Các nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo đã xây dựng một mẫu thử máy giao thoa kế vào đầu những năm 1990, theo sát công việc các nhà vật lý Mỹ, Anh và Đức đã thực hiện. Khi TAMA, một thiết bị có cánh tay dài 300 m bắt đầu được vận hành ở Tokyo vào năm 1998, nó là chiếc máy dò dài nhất và nhạy nhất thế giới, nhà vật lý Raffaele Flaminio – người từng nhiều năm làm việc tại Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản về dự án KAGRA, kể.

Nhưng TAMA không được mong đợi sẽ tạo ra một khám phá bởi sóng hấp dẫn kéo dài các chiều không gian, các hiệu ứng của nó thể hiện rõ hơn ở các khoảng cách xa, điều đó khiến các cỗ máy dò nhỏ lâm vào thế bất lợi. Dẫu sao những rung động do con người gây ra khiến TAMA, vốn được đặt ở Tokyo- một đô thị lớn và đông dân cư, thất bại ngay khi mới nhập cuộc, Kajita giải thích.

Vào những năm 1990, các nhà nghiên cứu châu Âu và Mỹ đã tham gia đầu tư vào xây dựng một giao thoa kế có cánh tay dài 4km ở Washington và Louisiana (LIGO), và một cỗ máy có cánh tay dài 3 km tại Italy (Virgo) trong khi các nhà vật lý Nhật Bản phải đối mặt với một cuộc phản đối quyết liệt về việc đầu tư cho dự án. Thêm vào nữa là năm 2001, một tai nạn nghiêm trọng và tốn kém xảy ra ở Super – Kamiokande, một đài quan sát neutrino lớn dưới núi Ikenoyama khiến chính phủ Nhật Bản lo ngại về việc dầu tư cho các dự án khoa học lớn.

Dẫu vậy, các nhà nghiên cứu Nhật Bản vẫn tiếp tục theo đuổi việc phát triển giao thoa kế, theo đuổi việc tìm hiểu gương phản xạ lạnh. Năm 2006, Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser Cryo (CLIO) bắt đầu hoạt động trong một đường hầm tại Kamioka. Mẫu thử có cánh tay dài 100m này là chiếc máy dò đầu tiên có các gương phản xạ được làm lạnh bằng áp kỹ thuật cryo và phải mất hai thập kỷ để hoàn thiện, Kajita nói. Nguyên nhân chủ yếu là việc làm lạnh bằng cryo vẫn còn là một câu hỏi bóc búa cho khoa học sóng hấp dẫn. "Máy làm lạnh là những thứ hoàn toàn cơ học", Kajita cho biết, vì chúng tạo ra nhiều rung động. Các nhà nghiên cứu đã phải mất nhiều công sức để tìm ra cách giữ các thiết bị làm lạnh tiếp xúc vật lý với hệ thống treo gương phản xạ để chúng có thể giữ lạnh cho các tấm gương này – trong khi không để cho các dao động của thiết bị làm mát xuất hiện theo hướng ngược lại.

Vào cuối thập kỷ, triển vọng cho một dự án máy dò sóng hấp dẫn của Nhật Bản đột nhiên tiến triển khi Kajita tham gia. Ông đã đảm trách nhiệm vụ tái thiết Super-Kamiokande để dự án này có thể tạo ra những đột phá lớn trong khoa học neutrino, và rút cục ông đã dốc sức vào công việc ở KAGRA với hiểu biết của một người có thể quản lý một dự án khoa học lớn. Vai trò của ông tương tự như Barry Barish, một nhà vật lý ở Viện công nghệ California (Caltech) ở Pasadena, với LIGO, nhà vật lý Shinji Miyoki tại trường đại học Tokyo, so sánh. (Barish đã cùng với Weiss và Kip Thorne (Caltech) giành giải Nobel 2017 cho những đóng góp vào việc phát hiện ra sóng hấp dẫn; Kajita cũng giành giải Nobel năm 2015 cho những khám phá của ông tại Super-Kamiokande.)

Vào năm 2010, nghị viện Nhật Bản đã chấp thuận đầu tư cho dự án này, với sự đóng góp của Hàn Quốc, Đài Loan. Tên của KAGRA — được chọn từ 600 đề xuất công khai — liên quan đến kagura, một điệu nhảy linh thiêng và là một phần của truyền thống Shinto cổ xưa, Miyoki người đã là việc ở TAMA và CLIO, hiện dẫn dắt phòng thí nghiệm KAGRA, cho biết.

Một vấn đề của địa điểm

Được xây dựng từ năm 2012, các cánh tay dài 6km của KAGRA cũng được đào khoảng hai năm. Nhưng địa điểm cũng là một vấn đề: đá của ngọn núi này xốp và dễ ngấm nước. Nhà vật lý của KAGRA là Keiko Kokeyama đã được mời trở lại địa điểm này vào năm 2014, khi cô đang làm việc cho LIGO tại Caltech. “Bên trong đường hầm, nước thấm rất nhiều”, cô nói và nền hầm đầy bùn. Để giữ cho các đường hầm khô ráo cần thêm một lớp lót. Cô là người đã giám sát tỉ mỉ nguồn laser của giao thoa kế này.

Vào mỗi mùa xuân, khi tuyết tan trên mặt đất, hệ thống thoát nước của đường hầm phải có khả năng vận chuyển được 1.000 tấn nước mỗi giờ. Điều đó có nghĩa là KAGRA sẽ phải có lịch tắt máy hàng năm trong những tháng ẩm ướt, Kajita nói: “Với những điều kiện như vậy, tôi nghĩ nó có khó thể được vận hành”.

Khi KAGRA khởi động, cộng đồng nghiên cứu về sóng hấp dẫn của thế giới sẽ dõi mắt trông theo. LIGO đang lập kế hoạch nâng cấp mang tên LIGO Voyager để làm lạnh các gương phản xạ — dẫu hông thể lạnh như gương của KAGRA. Và cộng đồng Mỹ đang thiết kế Cosmic Explorer, một cỗ máy làm lạnh dài 40 km. Các nhà nghiên cứu châu Âu hi vọng xây dựng một đài quan sát mang tên Kính viễn vọng Einstein Telescope hình dáng tam giác có cạnh dài 10 km với đủ hai yếu tố được làm lạnh và đặt dưới mặt đất. “Tôi tin là người ta sẽ học hỏi được nhiều từ KAGRA,” Kajita nói.

“Dù có khó khăn nhưng KAGRA đã làm được nhiều điều dũng cảm để theo đuổi rất nhiều thứ mà chúng tôi nghĩ là chúng tôi cần làm vì những máy dò tương lai. Điều đó giúp chúng tôi có được nhiều kinh nghiệm”, Shoemaker nhận xét.