Tại một hội nghị ở Nhật Bản cách đây vài năm, David Dunsky đã tham dự buổi nói chuyện về sóng hấp dẫn, những gợn sóng trong kết cấu không-thời gian được tạo ra khi các vật thể có khối lượng lớn như các ngôi sao và lỗ đen tăng tốc.

Dunsky lúc đó đang là sinh viên tốt nghiệp ngành vật lý hạt, và mối quan tâm của anh ấy dường như nằm ở chỗ khác. Các nhà vật lý hạt tìm kiếm sự thật cơ bản hơn làm nền tảng cho các quy luật vật lý mà chúng ta quen thuộc. Từ lâu, họ đã sử dụng máy va chạm hạt năng lượng cao để kiểm tra ý tưởng của mình. Bằng cách đập các hạt lại với nhau ở mức năng lượng không thể đo lường được, các nhà khoa học này có thể khám phá ra các khối xây dựng của các khối xây dựng - hiện tượng năng lượng cao xảy ra ở quy mô khoảng cách ngắn. Những hiện tượng đó cũng cho chúng ta biết về những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ khi nó còn rất nhỏ, đặc và nóng đến mức khó tin.

Nhưng Dunsky đã biết được tại buổi nói chuyện rằng các đài quan sát sóng hấp dẫn trong tương lai như Anten không gian giao thoa kế laser (LISA) được đề xuất có thể được sử dụng để thăm dò vật lý năng lượng cao. LISA sẽ có khả năng phát hiện các vật thể giả định gọi là dây vũ trụ, những chuỗi năng lượng tập trung khổng lồ có thể phát sinh trong quá trình hình thành vũ trụ. “Tôi bị cuốn hút vào việc cố gắng tìm hiểu các tín hiệu sóng hấp dẫn từ vũ trụ sơ khai,” Dunsky, hiện là nhà vũ trụ học và vật lý hạt tại Đại học New York, cho biết, “và làm thế nào họ có thể cho chúng ta biết về vật lý năng lượng rất rất cao có tiềm năng xa hơn nữa.” vượt xa những gì chúng tôi hiện có thể phát hiện bằng máy va chạm.”

Việc ông chuyển sang sử dụng sóng hấp dẫn như một con đường tiến tới vật lý hạt cho thấy mối quan tâm ngày càng tăng đối với thí nghiệm LISA trong tương lai và có lẽ là một sự thay đổi rộng lớn hơn. Mười hai năm đã trôi qua kể từ khám phá lớn cuối cùng về máy va chạm hạt. Việc phát hiện ra boson Higgs tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) vào năm 2012 đã hoàn thiện Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, lý thuyết thống trị về các hạt và lực cơ bản đã biết. Và trong khi các nhà lý thuyết đã nghĩ ra một kho lý thuyết khả dĩ mở rộng Mô hình Chuẩn, thì vẫn chưa rõ liệu chúng ta có thể chế tạo những máy va chạm có khả năng thử nghiệm những ý tưởng này hay không.

“Mọi người đang nói về việc chế tạo máy va chạm trong 50 năm tới mạnh gấp 10 lần LHC về mặt năng lượng,” cho biết Raman Sundrum, một nhà vật lý hạt lý thuyết tại Đại học Maryland. Tuy nhiên, việc kiểm tra các lý thuyết thống nhất lớn, theo dõi ba lực của Mô hình Chuẩn thành một lực cơ bản duy nhất hoạt động ở những khoảng cách ngắn hơn, “dường như sẽ sử dụng một máy va chạm có năng lượng gấp 10 tỷ lần năng lượng của LHC,” ông nói.

Những gì chúng ta không thể tạo ra trong máy va chạm, chúng ta có thể quan sát được trong tự nhiên. Cụ thể, câu trả lời có thể nằm ở tiếng vang hấp dẫn của các quá trình diễn ra trong những khoảnh khắc đầu tiên của sự sáng tạo, khi vũ trụ tràn đầy năng lượng đến mức vật lý ngoài Mô hình Chuẩn sẽ ngự trị.

Đó là hy vọng của các nhà vật lý hạt như Dunsky và Sundrum, những người hiện đang tìm đến LISA để kiểm tra lý thuyết của họ. Khái niệm sứ mệnh lần đầu tiên được phát triển vào đầu những năm 1980 và chính thức được đề xuất với Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) vào thập kỷ sau. Dự án này đã được NASA hợp tác theo đuổi một thời gian, nhưng người Mỹ đã từ bỏ vào năm 2011 do lo ngại về ngân sách, buộc châu Âu phải thực hiện một mình. Tuy nhiên, vào tháng 2015 này, LISA cuối cùng đã nhận được sự đồng ý từ ESA, hiện đang tìm kiếm các đối tác trong ngành để bắt đầu xây dựng. Thông báo này được đưa ra sau thành công vang dội vào năm 2016 và XNUMX của một sứ mệnh thí điểm, LISA Pathfinder, đã thử nghiệm các công nghệ chủ chốt của đài thiên văn trong tương lai.

LISA hiện được lên kế hoạch bay vào những năm 2030. Trong bốn năm, dàn ba vệ tinh của nó sẽ nhào lộn trong không gian theo một tam giác đều có đường kính khoảng vài triệu dặm, chiếu tia laser ra khỏi các khối vàng được giữ ở trạng thái rơi tự do hoàn hảo bên trong mỗi tàu để cảm nhận những gợn sóng trong không-thời gian.

“Lần đầu tiên, chúng ta thực sự có thể thu được thứ gì đó trực tiếp từ kỷ nguyên sơ khai đó của vũ trụ”, ông nói. Isabel Garcia García, một nhà vật lý hạt và vũ trụ học tại Đại học Washington. Cô nói thêm, nếu LISA thực sự có thể thu được sóng hấp dẫn nguyên thủy thì đó sẽ là cái nhìn đầu tiên của chúng ta về những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. “Từ quan điểm của vật lý hạt, điều đó rõ ràng là vô cùng thú vị.”

LISA may mắn

Nếu thực sự LISA có thể phát hiện được sóng hấp dẫn nguyên thủy vào khoảng thập kỷ tới, thì đó sẽ là do sự may mắn phi thường của vũ trụ.

Không có kính thiên văn nào có thể tiết lộ những khoảnh khắc đầu tiên của sự sáng tạo. Kính thiên văn nhìn vào quá khứ của vũ trụ bằng cách phát hiện ánh sáng truyền từ rất xa. Nhưng 380,000 năm đầu tiên sau Vụ nổ lớn bị ẩn sau một loại bức màn vũ trụ. Hồi đó, vũ trụ chứa đầy plasma bị ion hóa làm phân tán các photon, khiến nó trở nên mờ đục trước ánh sáng.

Không giống như ánh sáng, sóng hấp dẫn có thể gợn sóng tự do trong vũ trụ sơ khai. Các đài quan sát trên mặt đất hiện có như LIGO và Xử Nữ có lẽ không nhạy cảm với những sóng nguyên thủy này. Nhưng LISA có thể nghe được chuyện gì đã xảy ra trên sân khấu trước khi bức màn vũ trụ kéo lên.

Sundrum nói: “Giống như nghe thấy điều gì đó trong sương mù.

Giống như các đài quan sát sóng hấp dẫn trên mặt đất, LISA sẽ phát hiện các gợn sóng trong không-thời gian bằng cách sử dụng tia laser để đo chính xác khoảng cách dọc theo “cánh tay” của nó – trong trường hợp này là các đường trong không gian trống giữa ba tàu vũ trụ trong chòm sao hình tam giác của nó. Khi sóng hấp dẫn đi qua, nó sẽ giãn ra và co lại không-thời gian. Điều này tạo ra một sự khác biệt nhỏ về chiều dài cánh tay của LISA mà thiết bị có thể phát hiện bằng cách theo dõi độ lệch của các đỉnh và đáy của chùm tia laser. Bị loại khỏi môi trường ồn ào của Trái đất, LISA sẽ nhạy hơn nhiều so với các giao thoa kế hiện có như LIGO, vốn được sử dụng để phát hiện các vụ va chạm của lỗ đen và sao neutron. Nó cũng sẽ lớn hơn nhiều; mỗi cánh tay của nó sẽ dài hơn gần 400 lần bán kính Trái đất.

Mặc dù vậy, những thay đổi về khoảng cách mà LISA cảm nhận được là cực kỳ nhỏ – nhỏ hơn khoảng 50 lần so với một nguyên tử. “Đó là một khái niệm khá điên rồ nếu bạn nghĩ về nó,” nói Nora Lützgendorf, nhà vật lý thiên văn tại ESA và nhà khoa học dự án LISA.

Kích thước và độ nhạy của LISA sẽ cho phép nó quan sát các sóng hấp dẫn dài hơn nhiều so với các sóng hấp dẫn có thể quan sát được bằng giao thoa kế trên mặt đất. LIGO có thể cảm nhận được sóng hấp dẫn có bước sóng từ khoảng 30 đến 30,000 km, nhưng LISA có thể thu được các sóng có chiều dài từ vài trăm nghìn km đến vài tỷ. Điều này sẽ cho phép LISA lắng nghe các sự kiện vật lý thiên văn mà các đài quan sát trên mặt đất không thể “nghe thấy”, chẳng hạn như sự hợp nhất của các lỗ đen siêu lớn (ngược lại với các lỗ đen cỡ sao). Và dải bước sóng của LISA cũng có kích thước chính xác mà các nhà vật lý mong đợi từ sóng hấp dẫn được tạo ra trong những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ nổ lớn.

Vật lý năng lượng cao trong vũ trụ sơ khai đã tạo ra các gợn sóng hấp dẫn, và khi vũ trụ giãn nở và không gian giãn ra, những sóng này bị thổi bay đến những kích thước khổng lồ. LISA tình cờ có được tư thế hoàn hảo để bắt những làn sóng được tạo ra trong 10 phút đầu tiên^-17 để 10^-10 vài giây sau Vụ nổ lớn - thực tế là vào thời điểm bắt đầu. Điểm cuối ngắn của phạm vi đó, 10^-17 giây, là một khoảng thời gian ngắn đến mức nó có thể gấp nhiều lần trong một giây bằng số giây phù hợp với tuổi của vũ trụ.

“Có sự tình cờ này,” nói Chiara Caprini, một nhà vũ trụ học lý thuyết tại Đại học Geneva và CERN. Có sự trùng khớp giữa “dải tần số phát hiện LISA và kỷ nguyên đặc biệt này trong quá trình tiến hóa của vũ trụ đánh dấu ranh giới kiến ​​thức của chúng ta về vật lý hạt”.

Vượt ra ngoài mô hình tiêu chuẩn

Ở trên giới hạn đó, Mô hình Chuẩn đã thực hiện một công việc xuất sắc trong việc giải thích cách đàn gồm 17 hạt cơ bản của nó tương tác với ba lực: lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Nhưng bất chấp những thành công to lớn của nó, không ai nghĩ rằng những hạt và lực này là điều cốt yếu và cuối cùng của sự tồn tại.

Lý thuyết này có những sai sót của nó. Ví dụ, khối lượng của boson Higgs — thành phần của Mô hình Chuẩn xác định khối lượng của các hạt khác — là bực bội “không tự nhiên.” Nó có vẻ tùy tiện và nhỏ đến mức khó hiểu so với những thang năng lượng lớn hơn nhiều của vũ trụ. Hơn nữa, Mô hình Chuẩn không đưa ra lời giải thích nào về vật chất tối cũng như về năng lượng tối bí ẩn thúc đẩy sự giãn nở nhanh chóng của không gian. Một vấn đề khác là phản vật chất và vật chất hành xử giống hệt nhau dưới ba lực của Mô hình Chuẩn - rõ ràng đó không phải là câu chuyện đầy đủ, vì vật chất thống trị vũ trụ. Và sau đó là trọng lực. Mô hình Chuẩn hoàn toàn bỏ qua lực cơ bản thứ tư, lực này phải được mô tả bằng lý thuyết riêng của nó, thuyết tương đối rộng.

Pierre Auclair, nhà vũ trụ học lý thuyết tại Đại học Công giáo Louvain ở Bỉ, cho biết: “Vì vậy, rất nhiều nhà lý thuyết như tôi đã cố gắng thu gọn Mô hình Chuẩn một chút và cố gắng mở rộng nó”. Nhưng không có bằng chứng thực nghiệm để kiểm tra chúng, những lý thuyết mở rộng này vẫn chỉ mang tính lý thuyết.

Auclair là một nhà lý thuyết. “Tuy nhiên, tôi vẫn đang cố gắng kết nối với các thí nghiệm nhiều nhất có thể,” anh nói. Đó là một lý do khiến anh ấy bị thu hút bởi LISA. Ông nói: “Những phần mở rộng này thường dẫn đến những sự kiện cực đoan khác nhau trong vũ trụ sơ khai.

Garcia Garcia cũng nói rằng lời hứa của LISA về bằng chứng quan sát cho vật lý năng lượng cao đã khiến cô phải suy nghĩ lại về sự nghiệp của mình - sóng hấp dẫn có thể “thăm dò vũ trụ sơ khai theo cách mà không một thí nghiệm nào khác có thể làm được,” cô nói. Một vài năm trước, cô bắt đầu nghiên cứu sóng hấp dẫn và cách thức vật lý ngoài Mô hình Chuẩn sẽ để lại dấu vân tay mà LISA có thể phát hiện được.

Năm ngoái, Garcia Garcia và đồng nghiệp của cô công bố về dấu hiệu sóng hấp dẫn của các bức tường bong bóng – những rào cản năng lượng giữa các túi không gian bị mắc kẹt ở các trạng thái khác nhau khi vũ trụ nguội đi. Sự nguội đi này xảy ra khi vũ trụ giãn nở. Giống như nước sôi và biến thành hơi nước, vũ trụ trải qua những giai đoạn chuyển tiếp. Trong Mô hình Chuẩn, quá trình chuyển pha trong đó một lực “điện yếu” đơn lẻ tách thành lực điện từ và lực yếu riêng biệt diễn ra tương đối trơn tru. Nhưng nhiều phần mở rộng của lý thuyết dự đoán các sự kiện bạo lực khiến cho súp vũ trụ sủi bọt và bị xáo trộn, Dunsky, người cũng nghiên cứu các khiếm khuyết cấu trúc liên kết như các bức tường bong bóng, cho biết.

Các trường lượng tử thấm vào vũ trụ của chúng ta có trạng thái năng lượng tối thiểu, hay trạng thái cơ bản. Và khi vũ trụ nguội đi, các trạng thái cơ bản mới, năng lượng thấp hơn sẽ phát triển, nhưng một trường nhất định không phải lúc nào cũng hạ cánh ngay lập tức ở trạng thái cơ bản mới. Một số bị mắc kẹt trong năng lượng cực tiểu cục bộ - trạng thái cơ bản giả chỉ có vẻ ổn định. Tuy nhiên, đôi khi, một phần nhỏ của vũ trụ sẽ chuyển đường hầm lượng tử sang trạng thái thực, tạo mầm cho một bong bóng chân không thực sự đang giãn nở nhanh chóng với năng lượng thấp hơn vũ trụ bên ngoài.

“Những bong bóng này rất giàu năng lượng; chúng đang di chuyển rất gần tốc độ ánh sáng do sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài của chúng,” Dunsky nói. “Vì vậy, khi chúng va chạm, bạn sẽ có được sự va chạm dữ dội giữa hai vật thể có tính tương đối cao này, hơi giống với cách các lỗ đen phát ra sóng hấp dẫn mạnh ngay trước khi va chạm.”

Dây và Tường

Suy đoán hơn, các chuyển pha trong vũ trụ sơ khai cũng có thể đã tạo ra các cấu trúc gọi là dây vũ trụ và tường miền – tương ứng là các dải và dải khổng lồ chứa năng lượng dày đặc.

Những cấu trúc này phát sinh khi trạng thái cơ bản của trường lượng tử thay đổi theo cách có nhiều hơn một trạng thái cơ bản mới, mỗi trạng thái đều có giá trị như nhau. Điều này có thể dẫn đến những khiếm khuyết năng lượng cao dọc theo ranh giới giữa các túi của vũ trụ tình cờ rơi vào các trạng thái cơ bản khác nhau nhưng đều thuận lợi.

Quá trình này hơi giống như cách một số loại đá phát triển từ tính tự nhiên khi chúng nguội đi, Dunsky, người đã nghiên cứu các dấu vân tay có thể quan sát được của quá trình. Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử được định hướng ngẫu nhiên. Nhưng ở nhiệt độ mát mẻ, việc chúng sắp xếp từ tính trở nên thuận lợi hơn về mặt năng lượng - trạng thái cơ bản thay đổi. Không có từ trường bên ngoài để định hướng các nguyên tử, chúng có thể tự xếp hàng theo bất kỳ cách nào. Tất cả các “lựa chọn” đều có giá trị như nhau và các lĩnh vực khác nhau của khoáng sản sẽ ngẫu nhiên đưa ra những lựa chọn khác nhau. Từ trường do tất cả các nguyên tử tạo ra bị bẻ cong đáng kể ở ranh giới giữa các miền.

Tương tự, ông nói, các trường lượng tử ở các vùng khác nhau của vũ trụ “phải thay đổi nhanh chóng ở ranh giới” của các miền này, dẫn đến mật độ năng lượng lớn ở các ranh giới này “biểu thị sự hiện diện của tường miền hoặc chuỗi vũ trụ”.

Các dây vũ trụ và các bức tường miền này, nếu chúng tồn tại, sẽ trải dài ra gần như toàn bộ vũ trụ khi không gian giãn nở. Những vật thể này tạo ra sóng hấp dẫn khi các đường xoắn truyền dọc theo chúng và khi các vòng dao động và tạo thành các đỉnh. Nhưng thang năng lượng của những sóng này hầu hết được xác định là vật thể được hình thành trong những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. Và LISA có thể phát hiện ra chúng nếu chúng tồn tại.

Tiếng vang của sự sáng tạo

Sóng hấp dẫn đến với chúng ta từ vũ trụ sơ khai sẽ không đến với những tiếng kêu nhỏ gọn, giống như tín hiệu của các vụ va chạm lỗ đen. Bởi vì chúng xảy ra quá sớm nên những tín hiệu như vậy đã được trải dài ra khắp không gian. Chúng sẽ vang vọng từ mọi hướng, từ mọi điểm trong không gian, cùng một lúc - một tiếng ồn nền hấp dẫn.

Garcia Garcia nói: “Bạn bật máy dò của mình lên và nó luôn ở đó.

Sundrum cho biết, các mẫu trong nền này có thể “trông giống như tiếng ồn đối với người bình thường”. “Nhưng bí mật là có một mật mã ẩn.”

Một manh mối quan trọng sẽ là phổ của tín hiệu nền - cường độ của nó ở các tần số khác nhau. Nếu chúng ta coi tín hiệu sóng hấp dẫn là âm thanh, thì phổ của nó sẽ là biểu đồ cao độ so với âm lượng. Auclair cho biết tiếng ồn trắng thực sự ngẫu nhiên sẽ có phổ phẳng. Nhưng sóng hấp dẫn được giải phóng trong quá trình chuyển pha hoặc phát ra từ các dây vũ trụ hoặc các bức tường miền sẽ to nhất ở những tần số cụ thể. Auclair đã nghiên cứu tính toán các dấu hiệu quang phổ của các dây vũ trụ, chúng phát ra sóng hấp dẫn ở các bước sóng đặc trưng khi các đường xoắn và vòng lặp của chúng tiến hóa. Và Caprini nghiên cứu sự chuyển pha mạnh mẽ như thế nào sẽ để lại dấu ấn riêng trên nền sóng hấp dẫn.

Một cách tiếp cận khác mà Sundrum và các đồng nghiệp của ông vạch ra vào năm 2018 và xây dựng gần đây, sẽ là cố gắng lập bản đồ cường độ tổng thể của nền trên bầu trời. Điều này sẽ giúp bạn có thể tìm kiếm các điểm bất đẳng hướng hoặc các bản vá chỉ to hơn hoặc êm hơn một chút so với mức trung bình.

“Vấn đề,” Caprini nói, “là loại tín hiệu này thực tế có những đặc điểm giống với tiếng ồn của thiết bị. Vì vậy, toàn bộ câu hỏi là làm thế nào để có thể phân biệt được nó khi chúng tôi phát hiện ra thứ gì đó.”

LISA giống một chiếc micro hơn là một chiếc kính viễn vọng. Thay vì nhìn theo một hướng cụ thể, nó sẽ lắng nghe toàn bộ bầu trời cùng một lúc. Nó sẽ nghe thấy sóng hấp dẫn nguyên thủy nếu chúng có mặt. Nhưng nó cũng sẽ nghe thấy tiếng kêu và tiếng hú của các lỗ đen, sao neutron và nhiều cặp sao lùn trắng đang hợp nhất trong thiên hà của chúng ta. Để LISA phát hiện được nền sóng hấp dẫn nguyên thủy, tất cả các tín hiệu khác sẽ cần phải được xác định và loại bỏ một cách cẩn thận. Lọc ra tín hiệu thực sự từ vũ trụ sơ khai sẽ giống như lọc ra âm thanh của làn gió xuân ở công trường.

Nhưng Sundrum chọn cách hy vọng. Ông nói: “Chúng tôi không điên khi thực hiện nghiên cứu này. “Sẽ khó khăn cho những người thực nghiệm. Công chúng sẽ khó có thể chi trả cho nhiều việc khác nhau cần phải hoàn thành. Và sẽ rất khó để các nhà lý thuyết tính toán cách vượt qua tất cả những điều không chắc chắn, sai sót, bối cảnh, v.v.”

Tuy nhiên, Sundrum nói thêm, “điều đó dường như có thể xảy ra. Với một chút may mắn.”