สมาคมดาราศาสตร์ไทย

ไลโกพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งที่สาม

6 มิ.ย. 2560
รายงานโดย: วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com)
หอสังเกตการณ์เอไลโก (aLIGO -- Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) หรือหอสังเกตการณ์ไลโกที่ปรับปรุงใหม่ ได้ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงอีกครั้งแล้ว นับเป็นครั้งที่สาม ซึ่งห่างจากการพบครั้งแรกเพียงปีครึ่งเท่านั้น

คลื่นความโน้มถ่วงคือระลอกของปริภูมิเวลา (spacetime) ที่แผ่ออกจากแหล่งกำเนิดไปโดยรอบคล้ายรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เหตุการณ์ที่กำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงได้คือเหตุการณ์ที่วัตถุมวลหนาแน่นเคลื่อนที่ไปมาอย่างรวดเร็ว หรือเหตุการณ์รุนแรงที่มีพลังงานสูงมาก คลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนผ่านม่านฝุ่นหรือกำแพงสสารที่หนาแน่นได้อย่างสบายโดยไม่ถูกลดทอน เบี่ยงเบน หรือบิดเบือนไปแม้แต่นิดเดียว ข้อมูลที่แฝงอยู่ในคลื่นความโน้มถ่วงจึงไปถึงผู้รับอย่างครบถ้วน การศึกษาเอกภพโดยการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงจึงเป็นวิธีเดียวที่ทำให้เข้าถึงข้อมูลดึกดำบรรพ์ได้อย่างที่การศึกษาด้วยวิธีอื่นทำไม่ได้

ไลโกค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรกในเดือนกันยายนปี 2558 เป็นการพิสูจน์ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ แอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ถูกต้อง ต่อมาก็มีการค้นพบครั้งที่สองในปลายปีเดียวกัน 

และเมื่อวันที่ มิถุนายนที่ผ่านมา ไลโกได้แถลงข่าวการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้อีกครั้งหนึ่ง คลื่นนี้ได้แผ่มาถึงโลกเมื่อเวลา 2:11:58 น. ของวันที่ มกราคม โดยหอสังเกตการณ์ไลโกที่แฮนด์ฟอร์ดได้รับสัญญานก่อน แล้วอีกสามมิลลิวินาทีต่อมา คลื่นก็แผ่ไปถึงสถานีลิฟวิงสตัน ที่แหล่งกำเนิดคลื่นครั้งนี้อยู่ห่างจากโลกสามพันล้านปีแสง ซึ่งอยู่ไกลกว่าที่แหล่งกำเนิดสองแหล่งที่เคยพบก่อนหน้านี้ จึงมีอายุมากกว่าด้วย นักดาราศาสตร์คำนวณได้ว่ามันเกิดขึ้นเมื่อกว่าสองพันล้านปีก่อน ซึ่งเป็นเวลาที่เอกภพมีขนาดเพียง 20 เปอร์เซ็นต์ของขนาดปัจจุบันเท่านั้น

เช่นเดียวกับคลื่นที่พบสองครั้งแรก คลื่นครั้งนี้เกิดจากหลุมดำสองดวงชนกันและหลอมรวมกันเป็นหลุมดำเดี่ยว หลุมดำสองดวงที่เป็นต้นกำเนิดคลื่นครั้งนี้มีมวล 19 มวลสุริยะ และ 32 มวลสุริยะ หลังจากการชนกัน กลายเป็นหลุมดำที่มีมวล 49 มวลสุริยะ มวลที่หายไป มวลสุริยะกลายไปเป็นพลังงานที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วง เป็นอีกครั้งหนึ่งที่นักดาราศาสตร์ต้องงุนงงกับมวลของหลุมดำที่สูงถึงระดับนี้ ก่อนหน้านี้นักดาราศาสตร์ไม่อยากจะเชื่อนักว่าหลุมดำที่มีมวลสูงมากเกิดจากหลุมดำชนและหลอมรวมกัน การค้นพบครั้งนี้ย่อมทำให้ทฤษฎีนี้มีน้ำหนักมากขึ้น การวิเคราะห์คลื่นความโน้มถ่วง นักวิทยาศาสตร์ของไลโกระบุตำแหน่งของแหล่งกำเนิดได้ภายในพื้นที่ 1,200 ตารางองศา หรือพื้นที่เท่ากับดวงจันทร์เต็มดวง 6,000 ดวง 

ภาพเคลื่อนไหวจำลองการชนกันของหลุมดำสองดวงและคลื่นความโน้มถ่วงที่แผ่ออกมา

คลื่นความโน้มถ่วงไม่ได้บอกได้เพียงมวลของหลุมดำต้นกำเนิดเท่านั้น แต่ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับการหมุนรอบตัวเองของหลุมดำนั้นอีกด้วย คลื่นความโน้มถ่วงที่พบครั้งแรกไม่ให้ข้อมูลด้านนี้นัก ในครั้งที่สองให้รายละเอียดมากขึ้นเล็กน้อย โดยบอกได้ว่าหลุมดำต้นกำเนิดทั้งสองดวงมีขั้วการหมุนหันไปในทิศทางเดียวกันในขณะที่โคจรรอบกันเอง แต่คลื่นความโน้มถ่วงที่ค้นพบครั้งล่าสุดแสดงว่าขั้วการหมุนของหลุมดำต้นกำเนิดทั้งสองชี้ไปต่างทิศกัน โดยพบว่าหลุมดำอย่างน้อยหนึ่งดวงหันขั้วไปต่างทิศกับทิศการโคจร 

นักดาราศาสตร์เชื่อว่าหลุมดำคู่มีต้นกำเนิดที่เป็นไปได้สองแบบ แบบแรกคือวิวัฒนาการมาจากดาวคู่ ทั้งสองดวงเคยเป็นดาวฤกษ์ที่เกิดขึ้นมาด้วยกัน โคจรรอบซึ่งกันและกันพร้อมกับหมุนรอบตัวเองในทิศทางเดียวกับการโคจร ต่อมาเมื่อทั้งสองวิวัฒน์ไปเป็นหลุมดำก็ยังคงทิศทางการหมุนเช่นเดิม แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงครั้งที่สองน่าจะมีต้นกำเนิดแบบนี้

อีกแบบหนึ่งคือ หลุมดำทั้งสองมิได้มีต้นกำเนิดใกล้ชิดกัน อาจเกิดในกระจุกดาวเดียวกัน แต่ต่อมาเคลื่อนเข้ามาใกล้กันจนโคจรรอบกันเป็นหลุมดำคู่ หลุมดำคู่ที่เกิดในลักษณะนี้ไม่จำเป็นต้องมีทิศการหมุนเหมือนกัน อาจจะชี้ไปคนละทิศคนละทางก็ได้ ดังเช่นที่พบในคลื่นความโน้มถ่วงครั้งที่สามนี้

การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งล่าสุดนี้เป็นการยืนยันว่าหลุมดำคู่เกิดได้จากทั้งสองกรณี แต่จะให้บอกว่าแบบใดมีมากกว่ากันจำเป็นต้องมีการสำรวจมากกว่านี้

ก่อนหน้าที่จะมีการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง นักดาราศาสตร์ไม่เคยพบหลุมดำคู่มาก่อน และไม่เคยคิดมาก่อนว่าจะมีหลุมดำมวลดาวฤกษ์ที่จะมีมวลมากถึง 25 มวลสุริยะได้ แต่การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงทั้งสามครั้งล้วนแต่เกิดจากหลุมดำคู่ที่แต่ละดวงมีมวลมากกว่า 25 มวลสุริยะ นับว่าการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นการเปิดหน้าต่างบานใหม่ในการสำรวจเอกภพอย่างแท้จริง 
ภาพในจินตนาการของศิลปิน แสดงหลุมดำสองดวงที่มีแกนหมุนต่างทิศกันกำลังชนกันและหลอมรวมเป็นหลุมเดียว

ภาพในจินตนาการของศิลปิน แสดงหลุมดำสองดวงที่มีแกนหมุนต่างทิศกันกำลังชนกันและหลอมรวมเป็นหลุมเดียว (จาก LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).)

ภาพจากมุมสูงของหอสังเกตการณ์ไลโกในลิฟวิงสตัน <wbr>มลรัฐลุยเซียนา<br />

ภาพจากมุมสูงของหอสังเกตการณ์ไลโกในลิฟวิงสตัน มลรัฐลุยเซียนา
(จาก Flickr/LIGO.)

แผนภูมิแสดงมวลของหลุมดำที่เป็นต้นกำเนิดและหลุมดำผลลัพท์ที่เกิดจากการหลอมรวมกันจนทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงทั้งสามครั้งที่หอสังเกตการณ์ไลโกตรวจวัดได้ คลื่นความโน้มถ่วงทั้งสามครั้งมีชื่อตามลำดับคือ จีดับเบิลยู 150914 (GW150914), จีดับเบิลยู 151226 (GW151226), และจีดับเบิลยู 170104 (GW170104), ส่วน แอลวีที 151012 (LVT151012) คือเหตุการณ์ต้องสงสัยว่าอาจเป็นคลื่นความโน้มถ่วง แต่หลักฐานไม่หนักแน่นพอจะยืนยันได้ สังเกตว่าทั้งหมดให้ผลลัพท์เป็นหลุมดำที่มีมวลมากกว่า 20 มวลสุริยะ

แผนภูมิแสดงมวลของหลุมดำที่เป็นต้นกำเนิดและหลุมดำผลลัพท์ที่เกิดจากการหลอมรวมกันจนทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงทั้งสามครั้งที่หอสังเกตการณ์ไลโกตรวจวัดได้ คลื่นความโน้มถ่วงทั้งสามครั้งมีชื่อตามลำดับคือ จีดับเบิลยู 150914 (GW150914), จีดับเบิลยู 151226 (GW151226), และจีดับเบิลยู 170104 (GW170104), ส่วน แอลวีที 151012 (LVT151012) คือเหตุการณ์ต้องสงสัยว่าอาจเป็นคลื่นความโน้มถ่วง แต่หลักฐานไม่หนักแน่นพอจะยืนยันได้ สังเกตว่าทั้งหมดให้ผลลัพท์เป็นหลุมดำที่มีมวลมากกว่า 20 มวลสุริยะ (จาก LIGO/Caltech/Sonma State (Aurore Simonnet).)

แผนที่ท้องฟ้าแสดงตำแหน่งที่น่าจะเป็นของแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงครั้งที่สามที่ไลโกตรวจพบเมื่อวันที่ 4 มกราคม 2560 กินพื้นที่ประมาณ 1,200 ตารางองศา หรือ 3 เปอร์เซ็นต์ของทั้งฟ้า

แผนที่ท้องฟ้าแสดงตำแหน่งที่น่าจะเป็นของแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงครั้งที่สามที่ไลโกตรวจพบเมื่อวันที่ 4 มกราคม 2560 กินพื้นที่ประมาณ 1,200 ตารางองศา หรือ 3 เปอร์เซ็นต์ของทั้งฟ้า (จาก ligo.caltech.edu)