ESA sẽ thực hiện sứ mạng eLISA vào năm 2034

Vào năm 2034, cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu (ESA) sẽ chính thức thực hiện sứ mạng eLISA. Theo đó, bộ 3 tàu vũ trụ sẽ được phóng lên quỹ đạo theo đội hình và chúng sẽ nghiên cứu về sóng hấp dẫn nhằm một ngày nào đó có thể mở rộng tầm hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.

Lịch sử của vũ trụ theo hiểu biết của chúng ta

Sóng hấp dẫn được dự đoán lần đầu tiên theo thuyết tương đối rộng của Albert Einstein cách đây gần một thế kỷ. Về cơ bản, sóng hấp dẫn khá giống với sóng âm thanh nhưng thay vì được truyền đi trong không khí, sóng hấp dẫn lại gợnsóng trong cấu trúc không gian/thời gian. Mặc dù đã được dự đoán và tìm kiếm trong nhiều thập kỷ qua nhưng chưa ai được tận mắt quan sát sóng hấp dẫn. Người ta vẫn cho rằng sóng hấp dẫn được tạo ra bởi tất cả các hiện tượng trong vũ trụ, chẳng hạn như sự sáp nhập của các hố đen, các ngôi sao khổng lồ và tiểu hành tinh xô đẩy lẫn nhau và thậm chí là vụ nổ Big Bang.

Điều khiến sóng hấp dẫn được các nhà khoa học quan tâm là không giống như ánh sáng, điện tử hay các loại lực khác, sóng hấp dẫn di chuyển mà không bị giao thoa. Bụi, khí và vệt sáng không tác động đến chúng, điều này có nghĩa các nhà thiên văn có thể sử dụng sóng hấp dẫn để tìm kiếm những thứ xa xăm hơn trong không gian sâu hay thậm chí trở về khoảng thời gian xa nhất có thể.

Nhóm nghiên cứu eLISA cho biết việc phát hiện và nghiên cứu về sóng hấp dẫn còn có thể mở ra những hiểu biết mới về năng lượng tối, các di vật của vũ trụ non trẻ (còn gọi là dây vũ trụ), các chuẩn tinh, cấu trúc của thiên hà Milky Way (thiên hà của chúng ta) và giúp mô tả chi tiết về lịch sử của các hố đen. Đây là một điều quan trọng bởi các nhà thiên văn tin rằng, tất cả các thiên hà sáng đều sở hữu những hố đen siêu lớn tại tâm của chúng, vì vậy tìm hiểu về hố đen sẽ giúp hiểu rõ hơn về sự tiến hoá của chính các thiên hà. Sóng hấp dẫn còn có thể mở rộng hằng số Hubble - một hằng số mô tả sự dãn nở của vũ trụ và cho phép thực hiện các nghiên cứu mới về thuyết tương đối rộng.

Vấn đề với sóng hấp dẫn là việc phát hiện các gợn sóng trong không gian-thời gian đòi hỏi những thiết bị có độ nhạy cực cao. Phương pháp được đưa ra là máy đo giao thoa laser, theo đó một tia laser sẽ được làm giao thoa với chính nó khi được truyền đi trong khoảng cách xa. Hình ảnh giao thoa sẽ cung cấp cho các nhà khoa học một công cụ để đo đạt những dịch chuyển trong không gian dù là nhỏ nhất. Tuy nhiên, đây cũng là một kỹ thuật đòi hỏi cự ly tính toán xa và độ ổn định gần như tuyệt đối.

Giao thoa kế laser trên eLISA

Những nỗ lực trước đây nhằm thăm dò sóng hấp dẫn từ Trái Đất không mang lại hiệu quả bởi đường cơ sở không đủ lớn và đặc biệt có quá nhiều chấn động xung quanh gây cản trợ hoạt động thăm dò. Vì vậy, sứ mạng eLISA sẽ bao gồm một phi đội 3 tàu vũ trụ và thực hiện hoạt động thăm dò từ không gian. 3 con tàu sẽ bay theo một đội hình chính xác để tạo nên một chiếc giao thoa kế Michelson khổng lồ trôi trong không gian với đường cơ sở lên đến 1 triệu km. Hệ thống này hoạt động bằng cách nhân biết sự thay đổi vi phân về chiều dài của các đường cơ sở khi những gợn sóng hấp dẫn kéo dãn và thu hẹp không gian-thời gian.

Những "con tàu khoa học" (theo cách gọi của nhóm nghiên cứu) và tải trọng của chúng được thiết kế đặc biệt để hoạt động của mỗi tàu không ảnh hưởng lẫn nhau. Mặc dù phải đến 20 năm nữa thì phi đội eLISA mới được phóng lên quỹ đạo nhưng thiết kế của hệ thống đo giao thoa, kính thiên văn và cảm biến tham chiếu hấp dẫn đã được lên kế hoạch và chuẩn bị trong suốt 1 thập kỷ qua.

eLISA sẽ bay quanh Mặt Trời tại điểm Lagrange 1 (L1 - điểm giữa Mặt Trời và Trái Đất nơi lực hấp dẫn được cân bằng, cho phép các vật thể đứng yên tại chỗ). Các tàu sẽ duy trì vị trí của chúng theo một đội hình tam giác gần đều, khoảng cách giữa các tàu từ 1 đến 5 triệu km. Qua đó, phi đội sẽ bay theo một quỹ đạo được gọi là "Cartwheel" xung quanh một tâm chung. Tàu có thể được giữ ở một khoảng cách không đổi so với Trái Đất và cho phép di chuyển ra xa tối đa 70 triệu km theo giới hạn giao tiếp giữa các tàu của eLISA.

Bên trong mỗi tàu được ổn định nhiệt là các khối lượng thử nghiệm. Đây là các khối lập phương, kích thước 46mm, được chế tạo từ hợp kim vàng-platinum đặc, không từ tính. Chúng trôi tự do trong các buồng chân không. Điều này nghe có vẻ hơi thừa trong không gian nhưng các tàu liên tục nhả khí khi vận hành, do đó các khối lượng thử nghiệm cần được bảo vệ. Thêm vào đó, tia cực tím sẽ phát sáng trong buồng chân không theo định kỳ để giải phóng electron và giữ cho môi trường bên trong buồng chân không trung hòa về điện trước khả năng bị bắn phá bởi các tia vũ trụ.

Mô phỏng về hệ thống đẩy micro của eLISA

Toàn bộ hệ thống eLISA sẽ tự di chuyển để duy trì vị trí trung tâm của các khối thử nghiệm. Mỗi buồng chân không có các cảm biến điện dung giám sát những thay đổi tương quan của khối thử nghiệm đối với tàu và giao thoa kế laser sẽ đo sự thay đổi giữa các khối thử nghiệm với nhau. Nếu khối thử nghiệm rời khỏi tâm, hệ thống đẩy micro của tàu sẽ tự động được kích hoạt để điều chỉnh vị trí của chúng.

Hoạt động đo đạt của eLISA được thực hiện qua một chiếc kính thiên văn đường kính 20cm. Kính thiên văn sẽ phóng ra một tia laser Nd:YAG dọc theo chiều dài đường cơ sở (Nd:YAG là loại laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum-Garnet (ngọc hồng lựu) được phủ nguyên tố hiếm Neodymi của vỏ Trái Đất để làm môi trường kích hoạt. Bước sóng của Nd:Yag là 1064nm thuộc phổ cận hồng ngoại). Nếu xuất hiện hiện tượng uốn cong quang học, ánh sáng nhận được sẽ giao thoa với ánh sáng của tia laser ban đầu. Sự giao thoa cho phép hệ thống tính toán thời khắc chuyển động của các khối thử nghiệm với độ nhạy cực cao. Trên eLISA thậm chí còn có một hệ thống để khử nhiễu laser.

Với việc sử dụng giao thoa kế laser, eLISA có thể sử dụng các khối lượng thử nghiệm để đo đạt chính xác khoảng cách với tỉ lệ dưới picomet (chưa đến 1/31 kích thước nguyên tử Helium). Điều này cho phép eLISA phát hiện sóng hấp dẫn ở tần số từ 0,1mHz đến 100mHz và có thể xác định tần số, pha và độ phân cực của sóng. Thêm vào đó, eLISA có thể quan sát toàn bộ bầu trời và phân tích/phân biệt các tín hiệu chồng chéo.

Ảnh mô phỏng về 1 trong 3 tàu vũ trụ eLISA

Mục tiêu đầu tiên của eLISA sẽ là các ngôi sao đôi cỡ nhỏ. Chúng sẽ đóng vai trò như một công cụ hiệu chuẩn bởi vị trí và chu kỳ của các sao đều đã được xác định. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu áp dụng phép ngoại suy và tạo nên độ tin cậy cho hoạt động thăm dò trong tương lai.

Time Sumner - giáo sư vật lý dẫn đầu nhóm nghiên cứu eLISA tại học viện hoàng gia London cho biết: "Sứ mạng này sẽ cho phép chúng tôi nghiên cứu về vũ trụ theo một phương pháp hoàn toàn mới - chúng tôi sẽ được "lắng nghe" cũng như nhìn thấy. Trải qua nhiều thế kỷ, thiên văn học đã vén bức màn bí ẩn của quang phổ điện từ với ánh sáng, hồng ngoại, tia X v.v… Với sóng hấp dẫn, chúng tôi sẽ có một phương pháp thu thập thông tin khác biệt hoàn toàn. Cũng giống như trước đây chúng ta xem TV không có tiếng, giờ thì có cả tiếng lẫn hình để cảm nhận rõ hơn những gì đang xảy ra. Những khả năng của sóng hấp dẫn thực sự mê hoặc chúng tôi. Chúng tôi sẽ có thể giải quyết những thắc mắc về lỗ đen, quan sát hoạt động của lực hút một cách chính xác hơn trước đây và thậm chí có thể biết được những gì xảy ra trong vài giây sau vụ nổ Big Bang".

LISA Pathfinder trong khoang vũ trụ cùng các nhà khoa học tại ESA

Để thử nghiệm công nghệ eLISA, ESA sẽ phóng tàu LISA Pathfinder (LPF) vào năm 2015 theo một sứ mạng kéo dài 6 tháng nhằm kiểm tra các hệ thống sẽ được sử dụng trên eLISA, hiệu quả của các phương pháp đo đạt quang học và những giới hạn công nghệ.

eLISA được ESA xếp vào lớp sứ mạng L3 (Large) và sẽ được thực hiện sau sứ mạng L2 - nghiên cứu mở rộng về tia X vào năm 2028 của ESA.

(Theo Tinh Tế)