LIGO Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ยืนยันการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรก

บทความโดย facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386.1073741828.255096768033870/427749910768554/?type=3&theater


LIGO ยืนยันการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรก

วันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2016 นี้ ทีมงาน LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ได้ออกแถลงข่าวยืนยันการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกของโลก โดยทีมงานเปิดเผยว่าวันที่ 14 กันยายน 2015 ที่ผ่านมา ได้มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำสองหลุมมวล 29 และ 36 เท่าของดวงอาทิตย์รวมตัวกัน และปลดปล่อยพลังงานในรูปของคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจพบได้โดยเครื่องตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงทั้งที่ Hanford, Washington และ Livingston, Louisiana ในเวลาเดียวกัน

นอกจากการยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงแล้ว การค้นพบนี้ยังช่วยยืนยันถึงการมีอยู่ของ binary black hole หรือหลุมดำสองหลุมที่โคจรรอบกันอีกด้วย

แต่ว่าคลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร และมีความสำคัญอย่างไร

- ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอสไตน์

ก่อนจะพูดถึงคลื่นความโน้มถ่วง เราจำเป็นต้อง ต้องอธิบายถึงแรงโน้มถ่วงตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอสไตน์ก่อน ไอสไตน์อธิบายว่าแรงโน้มถ่วงเกิดจากมวลทำให้เกิดการบิดงอของกาลอวกาศ คล้ายกับการที่เรายืนบนเตียงนอนทำให้พื้นเตียงรอบๆ เรานั้นบิดงอไป และการบิดงอของกาลอวกาศนี้เป็นตัวส่งผลให้วัตถุมีการเคลื่อนที่อย่างที่เราสังเกตเป็นแรงโน้มถ่วงทุกวันนี้

ผลพลอยได้อย่างหนึ่งของการบิดงอของกาลอวกาศก็คือ แรงโน้มถ่วงจะสามารถทำให้ระยะทางและเวลาเกิดการบิดเบือนได้ ซึ่งสามารถพบได้ชัดเจนในบริเวณที่มีแรงโน้มถ่วงสูง เช่น รอบหลุมดำ

- คลื่นความโน้มถ่วง

ถ้าการยืนบนเตียงของเราทำให้เตียงเราโค้งงอได้ การกระโดดขึ้นลงหรือเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วบนเตียงนอนของเราก็จะสามารถแผ่อิทธิพลการโค้งงอออกไปรอบๆ ได้เช่นเดียวกับการโยนก้อนหินลงบนผิวน้ำ เมื่อเราโยนก้อนหินลงไปในทะเลสาป การรบกวนบนผิวน้ำจะแผ่ออกไปรอบๆ เกิดเป็นคลื่นผิวน้ำ

เช่นเดียวกัน การรบกวนในกาลอวกาศโดยมวลจำนวนมาก ก็น่าจะสามารถแผ่อิทธิพลการรบกวนนี้ไปยังกาลอวกาศรอบๆ ได้ อย่างไรก็ตามเนื่องจากเราไม่สามารถเพิ่มหรือทำให้มวลหายไปได้ เราจึงไม่สามารถ “โยน” มวลลงไปยังผิวกาลอวกาศได้ในลักษณะเดียวกับการโยนก้อนหินลงในผิวน้ำ แต่สิ่งที่อาจจะสามารถทำให้เกิดการแผ่คลื่นความโน้มถ่วงได้ก็คือการยุบตัวลงของมวลอย่างรวดเร็ว การโคจรรอบกันของมวลจำนวนมากสองมวล หรือการรวมตัวกันของวัตถุขนาดมหึมาเช่นหลุมดำสองหลุม

อีกวิธีหนึ่งที่สามารถเปรียบเทียบคลื่นความโน้มถ่วงได้ก็คือโดยการเปรียบเทียบกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เราทราบกันว่าอิเล็คตรอนจะแผ่สนามไฟฟ้าไปรอบๆมัน อย่างไรก็ตาม เมื่อเราทำการเคลื่อนอิเล็คตรอนไปยังตำแหน่งใหม่ สนามไฟฟ้าของอิเล็คตรอนจะต้องใช้เวลาเดินทางออกไปเท่ากับความเร็วแสง เมื่อเราทำการเคลื่อนตำแหน่งอิเล็คตรอนอย่างรวดเร็ว การเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้าอย่างรวดเร็วนี้เอง ที่ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกไปรอบๆ การที่เราสามารถใช้โทรศัพท์มือถือได้ก็เป็นเพราะว่าอิเล็คตรอนภายในเสาอากาศเกิดการสั่นขึ้นลงและแผ่ออกไปเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่สามารถตรวจจับได้โดยอิเล็คตรอนในเสาอากาศของเครื่องรับนั่นเอง ในลักษณะเดียวกันเมื่อเรามีมวลขนาดใหญ่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว เราก็จะสามารถแผ่คลื่นความโน้มถ่วง ที่สามารถตรวจพบได้โดยมวลอื่นที่ห่างไกลออกไป

โดยลักษณะของคลื่นความโน้มถ่วงนั้น จะอยู่ในรูปของการบิดงอของกาลอวกาศทำให้ระยะทางในสองทิศทางยืดและหดออกไป คล้ายกับการทำให้หนังยางวงกลมบิดเบี้ยวออกเป็นวงรีในทิศทางที่สลับกันไปมา

- ความท้าทายในการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วง

อย่างไรก็ตาม การตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงนั้นเป็นเรื่องที่ยากมาก และเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำไมจึงยังไม่มีการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงจนถึงทุกวันนี้ ความท้าทายของคลื่นความโน้มถ่วงส่วนหลักๆ เป็นเพราะว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีอิทธิพลน้อยมาก และจะสังเกตเห็นได้ง่ายก็ในกรณีที่เกิดการรวมตัวกันของมวลขนาดมหึมาเช่นหลุมดำเท่านั้น

ลองนึกภาพมวลขนาด 29 เท่าของดวงอาทิตย์ แต่มีขนาดเพียงแค่ 150 กม. เคลื่อนที่ด้วยความเร็วครึ่งหนึ่งของความเร็วแสง และชนเข้ากับหลุมดำอีกอันที่มีมวล 36 เท่าของดวงอาทิตย์ นี่คือเงื่อนไขที่จำเป็นต่อการสังเกตที่เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2015 ที่ผ่านมา

เมื่อรวมกันแล้ว มวลรวมสุดท้ายของหลุมดำนั้นมีมวลเพียงแค่ 62 เท่าของมวลดวงอาทิตย์เท่านั้นเอง และมวลอีก 3 เท่าของดวงอาทิตย์ได้ถูกเปลี่ยนไปในรูปของพลังงานคลื่นความโน้มถ่วงที่แผ่ออกมาเป็นระยะทางกว่า 1.3 พันล้านปีแสงจนมาถึงโลกของเรา

พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาโดยการรวมตัวของหลุมดำนี้ มีมากกว่า 50 เท่าของพลังงานที่ดาวฤกษ์ทุกดวงในเอกภพปลดปล่อยออกมาในหนึ่งหน่วยเวลาเสียอีก อย่างไรก็ตาม พลังงานเหล่านี้ถูกปลดปล่อยออกมาในเวลาเพียงแค่เสี้ยววินาทีเท่านั้นเอง

อย่างไรก็ตาม แม้กระทั่งพลังงานอันมหาศาลนี้ ก็ส่งผลให้เกิดการยืดหดเพียงแค่ 10^(-21) ส่วนเท่านั้นเอง นั่นคือหากเรามีไม้เมตรวางเอาไว้ในขณะที่คลื่นความโน้มถ่วงจากการรวมตัวของหลุมดำนี้ผ่านไป ไม้เมตรนั้นจะยืดได้ไม่เกิน 10^(-21) เมตร

ด้วยความท้าทายเหล่านี้ จึงจำเป็นที่จะต้องมีเครื่องมือตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงที่แม่นยำและมีขนาดใหญ่เป็นอย่างมาก

- LIGO

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) เป็นเครื่องตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงขนาดมหึมา ประกอบขึ้นด้วยท่อขนาดยาว 4 กิโลเมตร สองท่อ ทำมุมกัน 90 องศา และมีสถานีตรวจวัดอยู่สองที่ ที่ Hanford, Washington และ Livingston, Louisiana

การที่ใช้ท่อขนาดยาว 4 กม. นี้จะทำให้การยืดหดของกาลอวกาศที่เกิดจากคลื่นความโน้มถ่วงสามารถสังเกตได้ง่ายขึ้น เพื่อสังเกตคลื่นและการสั่นไหวในกาลอวกาศที่เกิดขึ้น ไม่ต่างอะไรกับทุ่นลอยกลางทะเลที่คอยสังเกตคลื่นผิวน้ำ ซึ่งส่วนมากในเวลาคลื่นลมสงบนั้นมีคลื่นที่ราบเรียบเกินกว่าที่เครื่องมือจะสามารถตรวจวัดได้

การรวมตัวกันของหลุมดำที่ผ่านมา เปรียบได้กับการเกิดมรสุมขนาดใหญ่ ที่ทำให้เกิดคลื่นขนาดมหึมาจนพอจะสังเกตได้

แต่แม้กระทั่งคลื่นความโน้มถ่วงขนาดมหึมานี้ ก็ทำให้กาลอวกาศภายในท่อยาว 4 กม. เปลี่ยนแปลงความยาวไปเพียงแค่ 10^(-18) เมตรเพียงเท่านั้นเอง ซึ่งเป็นขนาดที่เล็กกว่าขนาดของโปรตอนเสียอีก

ความท้าทายหลักๆ ในการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงของ LIGO ก็คือการกำจัดการสั่นสะเทือนเล็กๆ ที่อาจจะเกิดจากบนโลก และการวัดระยะทางที่แม่นยำ ในการวัดระยะทาง ซึ่ง LIGO สามารถทำได้โดยการใช้เครื่องมือที่เรียกว่า interferometer โดยการใช้เลเซอร์ยิงสะท้อนกับกระจกที่ยังปลายอุโมงค์ เมื่อระยะทางในสองอุโมงค์เกิดการเปลี่ยนแปลงจากคลื่นความโน้มถ่วง จึงสามารถสังเกตได้เป็นเฟสของเลเซอร์ที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อสะท้อนกลับมายัง interferometer

ซึ่งการค้นพบในวันที่ 14 กันยายน 2015 นี้ทำให้เราสามารถยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง และหลุมดำโคจรรอบกัน ในเอกภพได้

- ต่อจากนี้

เมื่อ 400 ปีที่แล้ว กาลิเลโอได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ในการสังเกตวัตถุบนท้องฟ้าเป็นครั้งแรก และเพิ่มความเข้าใจในธรรมชาติของจักรวาลของมนุษย์อย่างก้าวกระโดด และทุกครั้งที่เรามีการเปิดหน้าต่างช่วงคลื่นใหม่ในการสังเกตการณ์ทางธรรมชาติ ก็ทำให้ความเข้าใจของเราก้าวเพิ่มมากขึ้นอย่างทวีคูณ

เช่นเดียวกัน การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงนี้เป็นเพียงจุดเริ่มต้นของการค้นพบยิ่งใหญ่ที่กำลังจะตามมาเพียงเท่านั้น เมื่อเราสามารถค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงได้ เราก็จะสามารถยืนยันปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ต่างๆ อีกมากมายที่คาดเอาไว้ได้ เช่น การยุบตัวของซูเปอร์โนวา ดาวนิวตรอน คอสมิคสตริง ฯลฯ

อย่างไรก็ตาม สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดที่เครื่องตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงอาจจะนำมา ก็คือสิ่งที่เรายังคาดคิดไม่ถึงในตอนนี้

ปัจจุบัน LIGO ยังมี sensitivity เพียงแค่ 1 ใน 3 ของที่ควรจะเป็นเพียงเท่านั้น และ LIGO ยังสามารถพัฒนาเครื่องมือได้อีก จึงมีโอกาสที่จะตรวจพบปรากฏการณ์อื่นได้อีกมาก

อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดอย่างหนึ่งของคลื่นความโน้มถ่วงก็คือ คลื่นความโน้มถ่วงนั้นไม่สามารถบอกทิศทางได้ ใกล้เคียงกับไมโครโฟนที่สามารถฟังเสียงได้ แต่บอกไม่ได้ว่าเสียงมาจากทิศทางใด

อย่างไรก็ตาม กำลังจะมีการสร้างเครื่องตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงอีกเป็นจำนวนมาก ทั้งที่ญี่ปุ่น อิตาลี ฯลฯ เป็นเครือข่ายของคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งหากเรามีเครื่องตรวจวัดหลายตำแหน่ง ก็จะช่วยให้เราสามารถจำกัดขอบเขตของทิศทางที่กำลังมาถึงได้

การค้นพบที่ยิ่งใหญ่นี้ไม่ได้เกิดขึ้นเพียงข้ามคืน แต่ใช้ระยะเวลากว่า 50 ปีและเงินทุนสนับสนุนทั้งจากภาครัฐและความร่วมมือของเอกชน เงินภาษีประชาชนกว่า 40 ปี จึงจะเกิดเป็นการค้นพบอันยิ่งใหญ่ของมวลมนุษยชาติได้

ภาพ: LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)