xs
xsm
sm
md
lg

คลื่นโน้มถ่วงเปิดยุคใหม่ในการศึกษาดาราศาสตร์

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

ภาพจำลองการปะทะกันของดาวนิวตรอนที่ทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงมาถึงโลกเมื่อกลางเดือนสิงหาคม 2017 ที่ผ่านมา (A. Simonnet / National Science Foundation / AFP )
เมื่อวันที่ 14 กันยายน ค.ศ.2015 ขณะเวลา 9:50:45 ตามเวลามาตรฐานสากล มนุษย์ได้ยินเสียงคลื่นโน้มถ่วงเป็นครั้งแรก และหลังจากที่นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจสอบอย่างละเอียดว่า อุปกรณ์ทุกชิ้นส่วนทำงานอย่างสมบูรณ์และไม่มีอะไรผิดปกติ ทีมนักวิจัยของโครงการ LIGO (จากคำเต็มคือ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ก็ได้ออกแถลงการณ์วันที่ 16 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 ว่า สัญญาณที่ได้รับคือ คลื่นโน้มถ่วงที่โลกรอคอย โดยตั้งชื่อคลื่นที่ได้รับว่า GW 150914 (GW ย่อมาจากคำ Gravitational Wave และตัวเลขแสดงวันเวลาที่หอสังเกตการณ์ได้รับสัญญาณ) โดยคลื่นโน้มถ่วงดังกล่าวเกิดจากการชนกันของหลุมดำ 2 หลุมที่มีมวล 36 และ 29 เท่าของดวงอาทิตย์

ย้อนอดีตไปถึงเมื่อวันที่ 2 ธันวาคม ค.ศ.1915 ที่ Albert Einstein นำเสนอผลงานเรื่อง สมการสนามของแรงโน้มถ่วง ในงานชิ้นนั้นมีคำทำนายหนึ่งว่า เวลามวลเคลื่อนด้วยความเร่ง บริเวณโดยรอบของมวลจะมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา คือ ระยะทางจะมีการยืดออกและหดเข้า แทนที่จะคงตัว คือไม่เปลี่ยนแปลงเลยตามที่คนทั่วไปเข้าใจ เหตุการณ์นี้ทำให้เกิดคลื่นที่เคลื่อนที่ออกไปจากมวลด้วยความเร็วแสง แต่เพราะแรงโน้มถ่วงมีค่าน้อยกว่าแรงไฟฟ้าประมาณ 1040 เท่า ดังนั้นนระยะทางที่ยืดออกและหดเข้าจะมีค่าน้อยมากในระดับ 10-18 เมตร คือประมาณ 1 ส่วนใน 1 หมื่นล้านของเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน

การเปลี่ยนแปลงที่น้อยจนหาที่สุดแทบไม่ได้นี้ ทำให้ Einstein คิดว่า คงไม่มีใครในโลกสามารถตรวจสอบทฤษฎีนี้ได้ และหลังจากนั้นก็ไม่มีใครติดใจ หรือติดตามเรื่องนี้อีก เพราะคิดว่านี่เป็นความรู้ฟิสิกส์บริสุทธิ์ที่จะปรากฏอยู่บนหิ้งตลอดไป เพราะไม่มีประโยชน์ใดๆ ทั้งสิ้น ในทำนองเดียวกับที่มีคนพยายามวัดระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ (150 ล้านกิโลเมตร) ให้ผิดพลาดได้ไม่เกิน 100 นาโนเมตร

แต่เมื่อคำทำนายต่างๆ ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เช่น การเบี่ยงเบนของรังสีแสงขณะผ่านใกล้ขอบของดวงอาทิตย์ที่มีมวลมหาศาล การเพิ่มความยาวคลื่นของแสงขณะทะยานหนีจากโลก การถือกำเนิดของเอกภพด้วยการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ (Big Bang) ฯลฯ ซึ่งทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ได้ทำนายไว้ล้วนได้รับการยืนยันว่าถูกต้อง นักฟิสิกส์จึงหันมาสนใจเรื่องคลื่นโน้มถ่วง และได้วิเคราะห์พบว่า ถ้าคลื่นโน้มถ่วงมีพลังงานมาก การสังเกตจะกระทำได้ “ง่าย” เช่น ในกรณีดาวนิวตรอน 2 ดวง หรือหลุมดำ 2 หลุมพุ่งชนกัน แล้วหลอมรวมเป็นหนึ่งเดียว พลังงานที่สูญเสียไปในการชนจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานคลื่นโน้มถ่วง แต่เมื่อไม่มีใครรู้จำนวนของหลุมดำ หรือดาวนิวตรอนในเอกภพที่จะชนกัน หลายคนจึงรู้สึกท้อแท้ และคิดว่าคงเป็นเรื่องยากมากที่จะเห็นการชนดังกล่าวเกิดขึ้น

ด้วยเหตุนี้ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จึงคิดหาวิธีสังเกตหรือตรวจรับคลื่นโน้มถ่วงก่อนจะเกิดการชนเล็กน้อย ในปี 1974 Russell Hulse กับ Joseph Taylor ได้พบว่ามีดาวพัลซาร์คู่หนึ่งชื่อ PSRB1913+16 ซึ่งปล่อยคลื่นวิทยุออกมาด้วยความถี่สม่ำเสมอ ตลอดเวลาที่มันหมุนรอบตัวเองและโคจรไปรอบจุดศูนย์กลางมวลของระบบ ทำให้ความถี่ของคลื่นลดลงๆ เพราะดาวทั้งคู่โคจรเป็นวงแคบเข้าๆ ทำให้พลังงานที่เสียไปมีค่าสอดคล้องกับสูตรที่ Einstein ได้คำนวณไว้ทุกประการ

ผลงานการเห็นคลื่นโน้มถ่วงโดยทางอ้อมนี้ทำให้ Hulse กับ Taylor ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1993 ร่วมกัน

ความพยายามที่จะรับคลื่นโน้มถ่วงโดยตรงยังเดินหน้าต่อไป โดยใช้เทคนิคการแทรกสอดของคลื่นแสงที่เคลื่อนที่ไปตามระยะทางที่แตกต่างกัน ตามความคิดของ Rainer Weiss แห่ง Massachusetts Institute of Technology (MIT) ในสหรัฐอเมริกา ซึ่งได้เสนอแนะให้ใช้แสงเลเซอร์ในการสังเกต โดยการแยกแสงเลเซอร์ออกเป็นสองส่วนให้เดินทางไปคนละทิศ แล้วนำมารวมกัน ทำให้เกิดการแทรกสอดของคลื่นแสงเลเซอร์ แต่ถ้ามีคลื่นโน้มถ่วงผ่านมากระทบอุปกรณ์ และทำให้ระยะทางที่คลื่นโน้มถ่วงเคลื่อนที่ผ่านแตกต่างกัน เพราะคลื่นโน้มถ่วงจะไม่ถูกดูดกลืนและไม่สะท้อนโดยสสาร แต่จะยืด-หดสสารเท่านั้น การแทรกสอดจะเกิดขึ้นทันที และถ้าให้แขนของระยะทางที่คลื่นเดินทางมีค่าประมาณ 4 กิโลเมตร ถ้าแสงเดินทางไปกลับหลายร้อยครั้ง การเปลี่ยนแปลงของระยะทางจะช่วยให้เห็นริ้วการแทรกสอดอย่างเห็นได้ชัด และเพื่อให้ทุกคนมีความมั่นใจว่า การสังเกตเห็นการแทรกสอดมิได้เกิดขึ้นในอุปกรณ์เดียว อุปกรณ์ LIGO จึงต้องมีคู่แฝดที่อยู่ห่างกันประมาณ 3,000 กิโลเมตร ดังนั้นเวลาที่ LIGO เครื่องหนึ่งรับคลื่นได้ จะเร็วกว่าเวลาที่ LIGO เครื่องที่สองรับคลื่นนั้นได้ ตามเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางจากเครื่องหนึ่งไปเครื่องสอง การที่เครื่องรับทั้งสองอยู่ไกลกันเช่นนี้ สามารถช่วยให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์รู้ตำแหน่งของแหล่งกำเนิดคลื่นโน้มถ่วงได้

ลุถึงปี 1992 โครงการ LIGO ก็ถือกำเนิด หลังจากที่ Kip Thorne ได้พิสูจน์ให้ทุกคนเห็นว่า เวลาคลื่นโน้มถ่วงเคลื่อนที่ผ่านวัตถุๆ นั้นจะยืดตัวออก แล้วในเวลาต่อมาจะหดตัวเข้าในแนวตั้งฉากกัน ด้วยเหตุนี้แขนของ LIGO จึงถูกกำหนดให้อยู่ในแนวตั้งฉากกัน และถ้าให้ LIGO มีคู่แฝดที่เมือง Livingston ในรัฐ Louisiana กับที่ Hanford ในรัฐ Washington โดยให้แสงเลเซอร์ผ่านไปในท่อสุญญากาศตามแนวทั้งสองของแขนที่วางตัวในรูปของอักษร L

แต่ความพยายามในการตรวจรับคลื่นในระยะแรกไม่ประสบความสำเร็จเลย คณะนักวิจัยจึงได้ปรับเปลี่ยนชิ้นส่วน LIGO ให้ทำงานดีขึ้นๆ จนถึงวันที่ 14 กันยายน ค.ศ.2015 ความฝันที่ทุกคนรอคอยมานานนับ 43 ปีก็เป็นความจริง เมื่อสัญญาณที่นาน 0.2 วินาทีและประกอบด้วยคลื่น 8 คลื่นที่มีความถี่ตั้งแต่ 35 เฮิร์ซจนถึง 250 เฮิร์ซปรากฏ การที่ความถี่คลื่นเพิ่มขึ้นๆ เพราะหลุมดำทั้งสองกำลังเข้ามารวมตัวกัน โดยการหมุนวนรอบจุดศูนย์กลางมวล และเคลื่อนที่เร็วขึ้นๆ ตลอดเวลา ข้อมูลของคลื่นที่ได้รับใน LIGO ทั้งสองมีลักษณะเหมือนกันทุกประการ ไม่ว่าจะเป็นด้านอัมปลิจูดหรือความถี่ จึงเป็นคลื่นหนึ่งเดียวกันที่ระดับความเชื่อ 99.99994% ผลการวัดแสดงว่าแหล่งกำเนิดคลื่นคือหลุมดำสองหลุมที่มีมวล 29 กับ 36 เท่าของดวงอาทิตย์และที่อยู่ห่างจากโลก 13,000 ล้านปีแสง หลังจากที่รวมกัน 20x10-3 วินาที มวลของหลุมดำได้หายไป 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ คือ ได้กลายเป็นพลังงานของคลื่นโน้มถ่วง และความเร็วของหลุมดำได้เพิ่มจาก 30% เป็น 60% ของความเร็วแสง

รายงานการพบคลื่นโน้มถ่วงที่ปรากฏในวารสาร Physical Review Letters ฉบับที่ 116 ปี 2016 ภายใต้ชื่อ Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Holes Merger ถือเป็นการเปิดศักราชใหม่ของการศึกษาดาราศาสตร์ เพราะนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์มีเทคนิคและอุปกรณ์ใหม่ที่ใช้ค้นหาความรู้เกี่ยวกับเอกภพ หลังจากที่คุ้นเคยมานานกับกล้องโทรทรรศน์ธรรมดารับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์ รังสีอินฟราเรด รังสีอัลตราไวโอเล็ต รังสีที่ตาเห็น คลื่นวิทยุ รวมถึงอนุภาคนิวตริโน และรังสีคอสมิก มาบัดนี้ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์มีคลื่นโน้มถ่วงที่มีธรรมชาติแตกต่างจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างสิ้นเชิงเพื่อใช้ศึกษาธรรมชาติของหลุมดำ พัลซาร์ ลักษณะการถือกำเนิดของ galaxy ในช่วงเสี้ยววินาทีแรกของการกำเนิดเอกภพ ฯลฯ ว่าเป็นอย่างไร เพราะวัตถุที่มีมวลมาก รวมถึงสสารมืด และพลังงานมืด ล้วนมีอิทธิพลต่อคลื่นโน้มถ่วงทั้งสิ้น

นอกจากที่อเมริกาแล้วบรรดานักฟิสิกส์ในอีกหลายประเทศ เช่น ที่อิตาลีมีโครงการ VIRGO ณ เมือง Pisa ที่เยอรมนีมีโครงการ GEO600 ณ เมือง Hanover ส่วนที่ญี่ปุ่นมีโครงการ KAGARA และที่อินเดียมีโครงการใช้คลื่นโน้มถ่วงศึกษาหลุมดำขนาดเล็ก เวลาถูกหลุมดำขนาดใหญ่กลืน รวมถึงจะศึกษาธรรมชาติของขอบฟ้าแห่งเหตุการณ์ (กำแพงไฟ) ที่ทำลายทุกสิ่งทุกอย่างเวลาเคลื่อนที่ผ่านเข้าไปในหลุมดำ

เพราะการค้นพบนี้ยิ่งใหญ่มาก ดังนั้น รางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2017 จึงตกเป็นของ Rainer Weiss แห่ง MIT กับ Barry Banish และ Kip Thorne แห่ง California Institute of Technology โดยคนที่หนึ่งกับคนที่สองมีบทบาทมากในการออกแบบสร้าง และดำเนินการให้ LIGO เป็นตัวตน ส่วน Thorne มีบทบาทสำคัญในการปูพื้นฐานทางทฤษฎีของปรากฏการณ์นี้ จึงสมควรรับรางวัลโนเบลร่วมกัน แต่ Ron Drever ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกสำคัญอีกคนหนึ่งของ LIGO มิได้รับ เพราะแตกแยกทางความคิดกับ Rainer Weiss จึงถูกตัดออกจากโครงการในเวลาต่อมา ทำให้โครงการ LIGO เกือบพังทลาย แต่ได้ Barry Banish มาเสริม จนโครงการลุล่วงในที่สุด กระนั้น Drever ก็ไม่เสียใจ เพราะเขาได้เสียชีวิตไปเมื่อวันที่ 7 มีนาคมปีนี้ ก่อนที่ผลรางวัลโนเบลจะประกาศ 7 เดือน

ในอนาคต LIGO จะได้รับการพัฒนาให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นไปอีกเป็นโครงการ Advanced LIGO ที่สามารถศึกษาการปะทะกันของดาวนิวตรอนได้ประมาณ 40 คู่ต่อปี

นอกจากนี้องค์การอวกาศแห่งยุโรปก็มีโครงการ Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) ที่จะส่งขึ้นอวกาศในปี 2024 เพื่อศึกษาหลุมดำล่วงหน้าประมาณ 1,000 ปีก่อนที่มันจะรวมตัวกัน และเมื่อการวัดอัมปลิจูดและรูปแบบของคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวของเทหวัตถุในอวกาศสามารถบอกระยะทางที่เหตุการณ์ชนกันนั้นอยู่ห่างโลก และการศึกษาการรวมตัวของหลุมดำที่ระยะทางต่างๆ จะสามารถบอกวิวัฒนาการความเป็นมาของเอกภพได้ รวมถึงอาจบอกธรรมชาติของพลังงานมืดที่มีอิทธิพลในการทำให้เอกภพขยายตัวในเสี้ยววินาทีแรกๆ ของการถือกำเนิด เพราะในช่วงต้นนั้น เอกภพมืดสนิทไม่มีแสงใดๆ จนอีก 300,000 ปีต่อมาเอกภพจึงสว่างไสว ดังนั้นในขณะที่เอกภพมืดสนิทกล้องโทรทรรศน์แสงมิสามารถเห็นเหตุการณ์ได้ การใช้คลื่นโน้มถ่วงศึกษาเสี้ยววินาทีแรกของเอกภพจึงเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมาก

นอกจากนี้จะมีการใช้คลื่นโน้มถ่วงศึกษาธรรมชาติของอันตรกริยาโน้มถ่วงก็เป็นประเด็นที่น่าสนใจ เพราะความเร็วของคลื่นโน้มถ่วงมีค่าเท่ากับความเร็วแสง ดังนั้น ถ้าความเร็วของอันตรกริยาโน้มถ่วง ไม่เท่ากับความเร็วแสง นั่นแสดงว่า อนุภาคควอนตัมของอันตรกริยา ซึ่งก็คือ graviton มีมวล เพราะตามทฤษฎีควอนตัม อนุภาค graviton จะต้องไม่มีมวล เพื่อให้อนุภาคมีความเร็วเท่าความเร็วแสง แต่ถ้า graviton มีมวล พิสัยของอันตรกริยาก็จะมีค่าจำกัด คือไม่ไกลถึงระยะอนันต์ และความเร็วของคลื่นโน้มถ่วงก็จะแปรตามความถี่ (ปรากฏการณ์ dispersion) ด้วยเหตุนี้การวัดความเร็วของอันตรกริยาแรงโน้มถ่วงในการเกิดคลื่นโน้มถ่วงจะสามารถตรวจสอบทฤษฎี quantum gravity ได้ และการศึกษาคลื่น gravitational wave ที่เกิดเมื่อวันที่ 14 กันยายน ปี 2015 (GW150914) ที่ผ่านมาพบว่า ความเร็วของคลื่นโน้มถ่วงแตกต่างจากความเร็วแสง ประมาณ 1.2 x 10-10 เมตร/วินาที

อ่านเพิ่มเติมจาก Gravity’s Kiss: The Detection of Gravitational Waves โดย Harry Collins จัดพิมพ์โดย MIT Press ในปี 2017



เกี่ยวกับผู้เขียน สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
กำลังโหลดความคิดเห็น...