สมาคมดาราศาสตร์ไทย

พบคลื่นความโน้มถ่วง ยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพ

13 ก.พ. 2559
รายงานโดย: วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com)
"ท่านทั้งหลาย เราได้ค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงแล้ว" เดวิด  ไรตซ์ ผู้อำนวยการของหอสังเกตการณ์ไลโก (LIGO--Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) กล่าวนำขึ้นในการแถลงข่าวเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ที่ผ่านมา แม้จะเป็นเกริ่นสั้น ๆ แต่ก็ดังก้องกังวานจนวงการฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทั่วโลกต้องหันมามองเป็นตาเดียว

คลื่นความโน้มถ่วง คือระลอกความเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของปริภูมิเวลาที่แผ่ออกไปในอวกาศคล้ายแสง แต่คลื่นความโน้มถ่วงไม่ใช่แสง ไม่ใช่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า แม้จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงก็ตาม

คลื่นความโน้มถ่วง เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นได้ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของแอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งกล่าวไว้ในปี พ.ศ. 2458 ตลอดเวลาหนึ่งศตวรรษเต็มที่ผ่านมาคลื่นลึกลับนี้ยังคงหลบหลีกสายตาของนักวิทยาศาสตร์ ไม่เคยมีใครตรวจวัดคลื่นนี้ได้เลย แม้แต่ไอน์สไตน์เองก็เคยแสดงความไม่แน่ใจว่าจะมีโอกาสที่ตรวจพบคลื่นนี้ได้จริง ๆ หรือไม่

คลื่นความโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่ตรวจจับได้ยากมาก เหตุการณ์ที่จะก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงได้รุนแรงในระดับที่พอตรวจจับได้จากโลก ต้องเป็นเหตุการณ์ที่มีวัตถุที่มีมวลและความหนาแน่นสูงมากเคลื่อนที่ไปมาอย่างรวดเร็ว ซึ่งในธรรมชาติมีเหตุการณ์ทำนองนี้อยู่จริงเช่น ดาวนิวตรอนคู่หรือหลุมดำคู่ที่โคจรรอบกันเองตีวงเข้าหากันจนชนกันและรวมเป็นวัตถุเดียว

หอสังเกตการณ์ไลโก เป็นหอสังเกตการณ์ที่สร้างขึ้นเพื่อตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงโดยเฉพาะ มีลักษณะไม่เหมือนหอดูดาวทั่วไป โครงสร้างหลักเป็นท่อสุญญากาศสองท่อวางในแนวราบทำมุมฉากกันเป็นรูปตัวแอล (L) แต่ละท่อยาว กิโลเมตร ในการตรวจจับคลื่น จะมีการยิงเลเซอร์อินฟาเรดเข้มข้นใส่ตัวแยกลำแสงเพื่อแยกเลเซอร์ออกเป็นสองทางไปตามปลายท่อทั้งสอง กระจกสะท้อนที่ปลายท่อจะสะท้อนเลเซอร์กลับไปยังตัวตรวจจับเพื่อรวมแสงสะท้อนจากทั้งสองทางเข้าด้วยกัน ในภาวะปกติ แสงเลเซอร์ที่สะท้อนกลับมาซึ่งมีเฟสตรงข้ามกันจะหักล้างกันหมดสิ้น แต่หากระยะของท่อมีความเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นแม้เพียงเล็กน้อย จะทำให้เฟสของสัญญาณเหลื่อมกันและหักล้างกันไม่หมด เกิดสัญญาณลัพธ์ที่ตรวจวัดและนำไปวิเคราะห์ได้ 

เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงแผ่เข้ามายังโลกและผ่านท่อของไลโก ระยะของท่อจะยืดหดตามระลอกของปริภูมิเวลา ระบบของไลโกมีความไวสูงมากพอที่จะตรวจจับความยาวของท่อที่เปลี่ยนแปลงไปแม้เพียง ใน 10,000 ของขนาดโปรตอน ความไวที่สูงยิ่งยวดเช่นนี้จำเป็นมากในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่แสนแผ่วเบา 

แน่นอนว่าการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมย่อมมีผลต่อระยะของท่อด้วย เช่นยานยนต์ที่วิ่งผ่านหรือกิจกรรมทางธรณีวิทยา หอสังเกตการณ์ไลโกจึงสร้างสถานีตรวจจับไว้สองแห่ง แห่งหนึ่งอยู่ในแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน อีกแห่งหนึ่งอยู่ห่างออกไปสามพันกิโลเมตรในลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา จึงตัดปัญหาการตีความคลาดเคลื่อนไปได้ เพราะหากมีการรบกวนที่เกิดขึ้นบนโลก จะมีผลเพียงสถานีใดสถานีหนึ่ง หรือเกิดที่เวลาต่างกันมาก แต่ถ้ามีความเปลี่ยนแปลงระยะท่อขึ้นเหมือนกันทั้งสองแห่ง ย่อมหมายความว่าต้นกำเนิดของคลื่นนั้นต้องมาจากนอกโลก

สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์รอคอยมานานได้เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 16:51 นาฬิกาตามเวลาประเทศไทย เมื่อสถานีไลโกในลิฟวิงสตันตรวจวัดสัญญาณการกระเพื่อมได้ แล้วหลังจากนั้นอีก มิลลิวินาที (7 ใน 1,000 ส่วนของวินาที) สถานีที่แฮนฟอร์ดก็ได้รับสัญญาณที่มีรูปแบบเกือบจะเหมือนกัน 

และรูปแบบการกระเพื่อมที่ไลโกตรวจวัดได้ ตรงกับรูปแบบการกระเพื่อมที่ทฤษฎีว่าไว้พอดี เป็นหลักฐานที่หนักแน่นชัดเจนว่าสิ่งที่ไลโกตรวจวัดได้นั้นคือคลื่นความโน้มถ่วงจากอวกาศจริง

จากการวิเคราะห์คลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจวัดได้ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเกิดจากหลุมดำสองดวงชนกัน ดวงหนึ่งมีมวล 36 มวลสุริยะ อีกดวงหนึ่งมีมวล 29 มวลสุริยะ หลังจากการชนหลุมดำทั้งสองได้รวมกันเป็นหลุมดำดวงเดียวที่มีมวล 62 มวลสุริยะ มวล มวลสุริยะที่หายไปได้กลายไปเป็นพลังงานที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วง

การคำนวณพบว่า พลังงานที่แผ่ออกมาในรูปคลื่นความโน้มถ่วงในเสี้ยววินาทีก่อนการชนนั้น รุนแรงมากถึง 50 เท่าของพลังงานที่มีอยู่ในส่วนที่เหลือของเอกภพทั้งหมดรวมกัน!

ไลโกมีสถานีตรวจวัดเพียงสองแห่ง จึงบอกไม่ได้ว่าแหล่งที่มาของคลื่นแรงโน้มถ่วงนั้นมาจากที่ใดกันแน่ บอกได้เพียงทิศทางคร่าว ๆ ที่มีขนาด 600 ตารางองศาบนท้องฟ้า ใกล้ตำแหน่งของเมฆแมเจลแลนใหญ่ การระบุระยะห่างของแหล่งกำเนิดก็ยังเป็นเรื่องพ้นวิสัยเช่นกัน ไลโกบอกได้เพียงว่าแหล่งนั้นน่าจะอยู่ห่างจากโลกระหว่าง 700 ล้านปีแสงถึง 1.6 พันล้านปีแสง
แม้จะยังระบุแหล่งกำเนิดแน่ชัดไม่ได้ แต่แหล่งกำเนิดคลื่นนี้ก็มีชื่อเรียกแล้วว่า  จีดับเบิลยู 150914 (GW150914)

ในอดีตเคยมีการค้นพบหลักฐานของคลื่นความโน้มถ่วงมาบ้างแล้ว เช่นมีการพบว่าคาบการโคจรของดาวนิวตรอนคู่หรือดาวแคระขาวคู่มีคาบการโคจรเปลี่ยนแปลงในแบบที่แสดงถึงการสูญเสียพลังงานการโคจรออกไปกับคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นไปตามการพยากรณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป การค้นพบในครั้งนั้นทำให้ โจเซฟ เทย์เลอร์ และรัสเซลล์ ฮัลส์ ผู้ค้นพบได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันในปี 2536 

ในขณะที่การค้นพบของเทย์เลอร์และฮัลส์เป็นการค้นพบทางอ้อม แต่การค้นพบของไลโกครั้งนี้เป็นการค้นพบโดยตรง 

ไลโกเกิดขึ้นจากเงินทุนของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสหรัฐ เปิดใช้งานเมื่อปี 2545 ต่อมามีการปรับปรุงครั้งใหญ่ที่เพิ่มความไวของไลโกขึ้นถึงสิบเท่า การค้นพบที่เขย่าโลกในครั้งนี้เกิดขึ้นหลังจากการปรับปรุงใหญ่เสร็จสิ้นเพียงไม่กี่วันเท่านั้น

แทบทุกครั้งที่มีการค้นพบครั้งสำคัญเกิดขึ้น มักจะถูกมองว่าเป็นการปฏิวัติความเชื่อดั้งเดิม เป็นการผลิกโฉมวงการวิทยาศาสตร์ แต่การค้นพบครั้งนี้ไม่ใช่ เรื่องคลื่นความโน้มถ่วงไม่ใช่ของใหม่ นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ยอมรับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมานานแล้ว และการที่ไม่พบคลื่นความโน้มถ่วงมาเป็นเวลานานก็มีสาเหตุที่เข้าใจได้ การที่พบว่ามีคลื่นความโน้มถ่วงอยู่จริง เป็นการยืนยันให้นักวิทยาศาสตร์แน่ใจว่าทฤษฎีที่ตนอ้างอิงมาตลอดนั้นถูกต้อง นี่จึงไม่ใช่การปฏิวัติความคิดหรือยุคสมัย หากแต่เป็นการเปิดประตูบานใหม่ในการศึกษาอวกาศ การศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงอาจเป็นอีกช่องทางหนึ่งในการศึกษาดวงดาวที่อาจช่วยไขปัญหาลี้ลับบางอย่างที่การศึกษาด้วยกล้องโทรทรรศน์ทำไม่ได้

ภาพจำลองการชนกันของหลุมดำสองดวงที่แผ่คลื่นความโน้มถ่วงออกไปโดยรอบ เป็นสถานการณ์ที่พยากรณ์ได้ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของแอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ และเป็นสิ่งที่หอสังเกตการณ์ไลโกตรวจพบจริงเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558

ภาพจำลองการชนกันของหลุมดำสองดวงที่แผ่คลื่นความโน้มถ่วงออกไปโดยรอบ เป็นสถานการณ์ที่พยากรณ์ได้ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของแอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ และเป็นสิ่งที่หอสังเกตการณ์ไลโกตรวจพบจริงเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 (จาก MPI for Gravitational Physics / Werner Benger / ZIB / Louisiana State University)

คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการโคจรรอบกันเองของหลุมดำคู่จะมีคาบลดลงเรื่อย ๆ พร้อมกับมีความสูงของคลื่นมากขึ้น เกิดจากการที่หลุมดำทั้งสองตีวงเข้าหากัน คลื่นจะรุนแรงที่สุดในช่วงเสี้ยวสุดท้ายก่อนที่หลุมดำทั้งสองจะชนกันและกลืนกันเป็นดวงเดียว

คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการโคจรรอบกันเองของหลุมดำคู่จะมีคาบลดลงเรื่อย ๆ พร้อมกับมีความสูงของคลื่นมากขึ้น เกิดจากการที่หลุมดำทั้งสองตีวงเข้าหากัน คลื่นจะรุนแรงที่สุดในช่วงเสี้ยวสุดท้ายก่อนที่หลุมดำทั้งสองจะชนกันและกลืนกันเป็นดวงเดียว (จาก B. P. Abbott & others, )

คลื่นความโน้มถ่วงที่วัดได้จริงจากหอสังเกตการณ์ไลโก <wbr>ภาพซ้ายได้จากสถานีในลิฟวิงสตัน <wbr>ภาพขวาได้จากสถานีในแฮนฟอร์ด<br />

คลื่นความโน้มถ่วงที่วัดได้จริงจากหอสังเกตการณ์ไลโก ภาพซ้ายได้จากสถานีในลิฟวิงสตัน ภาพขวาได้จากสถานีในแฮนฟอร์ด
(จาก LIGO)

ภาพถ่ายทางอากาศของหอสังเกตการณ์ไลโกในแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน

ภาพถ่ายทางอากาศของหอสังเกตการณ์ไลโกในแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน

ผังแสดงลักษณะของคลื่นความโน้มถ่วงที่แผ่ออกจากหลุมดำคู่ขณะที่ตีวงเข้าหากัน

ผังแสดงลักษณะของคลื่นความโน้มถ่วงที่แผ่ออกจากหลุมดำคู่ขณะที่ตีวงเข้าหากัน (จาก Swinburne Astronomy Productions)