การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรกของโลก

  • พิมพ์

การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรกของโลก

11 กุมภาพันธ์ 2016 ทีมวิจัย LIGO และ Virgo ประกาศการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้โดยตรงเป็นครั้งแรกของโลก สัญญาณดังกล่าวมีชื่อว่า GW150914 ซึ่งตรวจจับได้ตั้งแต่ 14กันยายน 2015แล้ว โดยทีมนักวิทยาศาสตร์แห่งสถาบันอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein Institute) ที่ประเทศเยอรมนี

        สัญญาณดังกล่าวมาจากการพุ่งเข้าหากันเป็นรูปก้นหอยของหลุมดำสองหลุม สัญญาณที่ตรวจจับได้ตรงสอดคล้องกับการคำนวณที่ได้จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ และยิ่งไปกว่านั้นมันยังเป็นการสังเกตการณ์สัญญาณจากหลุมดำที่เข้าชนกันได้เป็นครั้งแรกอีกด้วย นั่นแปลว่าหลุมดำที่โคจรรอบกันและกันมีอยู่จริงและการชนกันสามารถเกิดขึ้นได้ในช่วงชีวิตของเอกภพในปัจจุบัน

 

คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational waves) คืออะไร?

        คลื่นความโน้มถ่วงถูกทำนายว่ามีอยู่ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในปี 1916 มีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงทางอ้อมได้ในปี 1974 จากการสังเกตระบบดาวนิวตรอนคู่ที่มีชื่อว่า PSR B1913+16 ผลการคำนวณและการสังเกตพบว่าพวกมันเข้าใกล้กันมากขึ้นเรื่อยๆเพราะสูญเสียพลังงานจากการแผ่คลื่นความโน้มถ่วง การค้นพบนี้ส่งผลให้สองนักฟิสิกส์ Russell Alan Hulse และ Joseph Hooton Taylor, Jr. ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1993

 

การพัฒนาเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง LIGO

        LIGO ประกอบด้วยสถานีตรวจจับที่ทำงานสัมพันธ์กันอยู่ 2 สถานี 

        -สถานีแรกมีชื่อว่า LIGO Livingston Observatory อยู่ที่ รัฐหลุยส์เซียนา

        -สถานีที่สองมีชื่อว่า LIGO Hanford Observatory อยู่ที่รัฐวอชิงตัน

        โดยทั้งสองแห่งอยู่ห่างกันมากถึง 3,000 กิโลเมตร ทั้งสองสถานีจะทำการสังเกตเปรียบเทียบสัญญาณที่เกิดจากการแทรกสอดของแสงเลเซอร์เพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงว่าส่งผลต่อการแทรกสอดนั้นอย่างไร

 

ฝั่งซ้ายคือสัญญาณที่ตรวจจับได้ที่สถานี Hanford ฝั่งขวามือคือสัญญาณที่ตรวจจับได้ที่สถานี Livingston  ทั้งสองกราฟแสดงสัญญาณจริงเทียบกับที่คำนวณได้จากทฤษฎี

 

        ในตอนเริ่มต้น LIGO ดำเนินงานมาตั้งแต่ปี 2002-2010 แล้วแต่ไม่สามารถตรวจจับคลื่นความโมถ่วงได้เลย ผลที่ตามมาคือเครื่องถูกปิดไปหลายปี ตัวตรวจจับถูกเปลี่ยนให้มีคุณภาพดีขึ้นอย่างมาก (Advanced LIGO) ระหว่างการพัฒนาเครื่อง LIGO มีการสร้างสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงเทียมขึ้นหลายครั้งเพื่อทดสอบว่าเหล่านักวิจัยจะสามารถแยกแยะได้หรือไม่ว่ามันไม่ใช่ของจริง

 

การตรวจจับ

        ชื่อของสัญญาณ GW150914 มาจากคำว่า Gravitational wave ตามด้วยวันเดือนปีที่ทำการสังเกตได้ สัญญาณดังกล่าวถูกตรวจจับได้ที่ทั้งสองสถานีในเวลา 9.50 UTC 14 กันยายน 2015 

        ตำแหน่งคร่าวๆของแหล่งกำเนิดสัญญาณมาจากท้องฟ้าทางซีกใต้ บริเวณกาแล็กซีเมฆแม็กเจนแลน แต่อยู่ห่างออกไปกว่านั้นมาก ตัวสัญญาณมีความยาวนาน 0.2วินาที มีการเพิ่มความถี่และค่าแอมพลิจูดประมาณ 8 คาบจาก 35 เฮิร์ตซ์จนถึง 250 เฮิร์ตซ์ (นักวิทยาศาสตร์มองว่ามันคล้ายๆเสียงร้องของนก) และถูกรายงานอย่างรวดเร็วภายใน 3 นาทีซึ่งถูกพบครั้งแรกโดย Marco Drago นักวิจัยที่ทำงานวิจัยหลังปริญญาเอกชาวอิตาลีซึ่งอยู่ในประเทศเยอรมนี ในตอนแรกเขาไม่คิดว่ามันเป็นสัญญาณจริง แม้แต่ Bruce Allen หัวหน้าของเขาก็คิดว่ามันเป็นสัญญาณเทียมด้วยซ้ำ

        แต่หลังจากการวิเคราะห์ทางสถิติและการวิเคราะห์ข้อมูลแวดล้อมอื่นๆพบว่ามันเป็นสัญญาณจริง! ซึ่งมีความน่าเชื่อถือมากถึง 99.99994% ทีเดียว สัญญาณนี้ถูกตรวจจับได้ที่สถานี Livingston  ก่อนสถานี Hanford  เป็นเวลา 7 มิลลิวินาทีซึ่งสอดคล้องกับเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางระหว่างสองสถานีนี้(คลื่นความโน้มถ่วงเดินทางด้วยอัตราเร็วเท่าแสง)

        น่าเสียดายเล็กน้อยที่เครื่องจรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง Virgo ที่ประเทศอิตาลียังไม่เปิดใช้งานและอยู่ในระหว่างการพัฒนาให้ดีขึ้นจึงไม่สามารถร่วมกันตรวจจับและยืนยันผลจาก LIGO ได้

 

การชนกันของหลุมดำ

        หลุมดำที่ชนกันนี้อยู่ห่างจากโลกเราออกไป 1.3 ±0.6  พันล้านปีแสง การวิเคราะห์พวกมันอย่างละเอียดพบว่ามันเป็นหลุมดำที่มีมวลราว 36 เท่าและ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ระบบหลุมดำนี้สูญฌสียพลังงานเท่ากับ 3±0.5  เท่าของมวลดวงอาทิตย์จากการปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมาซึ่งกำลังสูงสุดของคลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกปล่อยออกมามีค่า 3.6×1049 วัตต์ซึ่งมีค่ามากกว่าสิบเท่าของกำลังจากแสงสว่างจากดาวฤกษ์ทุกดวงที่สังเกตได้ในเอกภพเสียอีก!

        ระหว่างสัญญาณ0.2วินาทีที่วัดค่าได้ ความเร็วสัทพัทธ์ระหว่างหลุมดำทั้งสองมีค่าเพิ่มขึ้นจาก 30%เป็น 60%ของอัตราเร็วแสง ค่าความถี่ของการโคจรคือ 75 เฮิร์ตซ์บ่งบอกว่าพวกมันอยู่ห่างกันเพียง 350 กิโลเมตรก่อนจะเกิดการชนกัน  ความถี่มวล,และระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสองบ่งชี้ว่าพวกมันต้องเป็นหลุมดำ หากหลุมดำชนกับดาวนิวตรอน มันจะโคจรรอบกันด้วยความถี่ที่ต่ำกว่านี้

 

ประกาศการค้นพบ

        การประกาศในวันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2016 ในงานแถลงข่าวที่กรุงวอชิงตัน ดีซี มี David Reitze หัวหน้าทีม LIGO รวมทั้งนักฟิสิกส์ด้านเอกภพวิทยาระดับโลกอย่าง คิป ทอร์น (Kip Thorne), นักฟิสิกส์จาก MIT  Rainer Weiss และ นักวิจัยจาก LIGO Gabriela González

        การค้นพบนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการคลาสสิกอย่าง  Physical Review Letters  และ The Astrophysical Journal

        หลายๆคนเก็งกันว่าผลงานนี้มีโอกาสได้รับรางวัลโนเบลสูงมาก

 

อนาคตต่อจากนี้

-การตรวจจับในอนาคต

การตรวจจับในครั้งนี้ทำให้นักฟิสิกส์มีหวังในการตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงอื่นๆมากขึ้น ในอนาคตนักฟิสิกส์เล็งสังเกตหลุมดำมากกว่า 5 หลุมดำที่กำลังจะเข้าชนกัน รวมทั้งระบบดาวคู่มากกว่า 40 ระบบที่จะมีการชนกัน นอกจากนี้ยังนำไปสู่การออกแบบการทดลองให้มีความละเอียดมากขึ้นไปอีก  เครื่องมืออื่นๆอย่างเช่น Virgo ที่ปรับปรุงแล้วและKAGRA ในประเทศญี่ปุ่นอาจช่วยกันตรวจจับให้ดียิ่งขึ้นได้ด้วย

 

-ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ทฤษฎีนี้ยังคงได้รับการยืนยันความถูกต้องและนี่เป็นครั้งแรกที่มีการตรวจสอบความถูกต้องสำหรับบริเวณที่มีความโน้มถ่วงสูงยิ่งอย่างหลุมดำที่ชนกัน

 

-ฟิสิกส์ดาราศาสตร์

มวลของหลุมดำทั้งสองก่อนชนกันทำให้นักดาราศาสตร์มีข้อมูลเกี่ยวกับวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ รวมทั้งข้อมูลของแก่นดาวฤกษ์ที่ยุบตัวในขณะเกิดซูเปอร์โนวามากขึ้น 

 

-อนุภาคกราวิตอน

อนุภาคกราวิตอนเป็นอนุภาคเชิงทฤษฎีที่เป็นสื่อนำแรงโน้มถ่วง การค้นพบนี้นำไปสู่การปรับค่ามวลต่ำสุดและสูงสุดที่เป็นไปได้เล็กน้อย

 

-มิติใหม่ของการสังเกตการณ์อวกาศ

 

Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) เป็นโครงการที่เสนอขึ้นเพื่อสร้างขึ้นในอนาคตเพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศ มันมีความละเอียดพอจะสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงของระบบหลุมดำนี้ได้นับพันปีก่อนจะเกิดการชนและสังเกตการณ์ออกไปได้ไกลกว่าเดิมมหาศาล

 

 

เขียนโดย

อาจวรงค์ จันทมาศ