คลื่นความโน้มถ่วง อีกหนึ่งบทพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
"ท่านทั้งหลาย เราได้ค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงแล้ว"
เดวิด ไรตซ์ ผู้อำนวยการของหอสังเกตการณ์ไลโกกล่าวนำขึ้นในการแถลงข่าวเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2559 แม้จะเป็นคำเกริ่นสั้น ๆ แต่ก็ดังกึกก้องจนวงการฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทั่วโลกต้องหันมามองเป็นตาเดียว
คลื่นความโน้มถ่วงคือระลอกความเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของปริภูมิเวลาที่แผ่ออกไปในอวกาศคล้ายแสง แต่คลื่นความโน้มถ่วงไม่ใช่แสง ไม่ใช่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า แม้จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงก็ตาม เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นได้ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ แอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งกล่าวไว้ในปี พ.ศ. 2458 ตลอดเวลาหนึ่งศตวรรษเต็มที่ผ่านมา คลื่นลึกลับนี้ยังคงหลบหลีกสายตาของนักวิทยาศาสตร์ ไม่เคยมีใครตรวจวัดคลื่นนี้ได้เลย แม้ตัวทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้รับการพิสูจน์จากการทดลองนานารูปแบบหลายสิบครั้งแล้วว่าถูกต้อง แต่สำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงอันแสนแผ่วเบานี้ เป็นเรื่องที่แม้แต่เจ้าของทฤษฎีก็ยังเคยแสดงความไม่แน่ใจว่าจะตรวจพบได้จริง
กลศาสตร์ของนิวตันกล่าวว่ามวลทำให้เกิดแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงจากมวลใด ๆ จะมีผลถึงระยะอนันต์ในลักษณะสนามของแรงที่คงตัว แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อธิบายว่าความโน้มถ่วงไม่ใช่แรง แต่เป็นความบิดโค้งของปริภูมิเวลาที่เกิดจากมวล เปรียบเหมือนลูกเหล็กที่วางบนแผ่นยางที่ขึงตึง แผ่นยางแทนโครงข่ายของปริภูมิเวลา มวลของลูกเหล็กทำให้แผ่นยางบุ๋มลงที่ตำแหน่งของมัน และดึงให้แผ่นยางบริเวณข้างเคียงบิดโค้ง หากมีมวลอื่นผ่านมาใกล้ก็จะเบี่ยงเบนทิศทางตีโค้งเข้าหาลูกเหล็ก การเบี่ยงเบนนี้ไม่ได้เกิดจากลูกเหล็กดูด แต่เป็นเพราะไหลไปตามความลาดโค้งของแผ่นยาง นอกจากนี้ยังอธิบายว่าอันตรกิริยาใด ๆ ในเอกภพย่อมเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่เกินความเร็วแสง ความโน้มถ่วงจึงไม่ใช่สนามคงตัว หากแต่เป็นการแผ่ออกจากมวลโดยมีความเร็วจำกัด นั่นคือความเร็วแสง ดังนั้นเมื่อวัตถุมีมวลนั้นเคลื่อนที่ ความบิดโค้งของปริภูมิเวลาก็จะเปลี่ยนแปลงไปโดยแผ่ออกจากมวลนั้น และหากการเคลื่อนที่เร็วพอ ความเปลี่ยนแปลงของความบิดโค้งก็จะปรากฏในลักษณะของระลอกคลื่นบนปริภูมิเวลาที่เดินทางแผ่ออกไปด้วยความเร็วแสง
แม้เรื่องคลื่นความโน้มถ่วงจะเป็นปรากฏการณ์ที่พยากรณ์ขึ้นได้โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของแอลเบิร์ตไอน์สไตน์ และการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงจะช่วยตอกย้ำถึงความเป็นอัจฉริยะของนักฟิสิกส์ชื่อก้องโลกคนนี้ แต่ทราบหรือไม่ว่าไอน์สไตน์เองนี่แหละที่เคยเป็นนักวิทยาศาสตร์ตัวหลักในการคัดค้านเรื่องคลื่นความโน้มถ่วง
ในพ.ศ. 2479 ซึ่งเป็นเวลาหลังจากที่เขาเสนอทฤษฎีนี้ไปแล้วถึง 20 ปี ไอน์สไตน์ได้ทบทวนการคำนวณของตนอีกครั้ง แล้วก็ต้องประหลาดใจเมื่อผลออกมาว่าคลื่นความโน้มถ่วงไม่มีอยู่จริง ไอน์สไตน์ได้เขียนรายงานการวิจัยเรื่องนี้หัวข้อ “Do Gravitational Waves Exist?” ส่งให้วารสาร ฟิสิกัลรีวิว อย่างไรก็ตาม รายงานฉบับนี้กลับไม่ถูกตีพิมพ์โดยผู้ตรวจทานบทความได้ชี้ถึงจุดบกพร่องในบทความนั้นด้วย แม้ในเวลาต่อมาไอน์สไตน์จะเปลี่ยนใจกลับมาเชื่อว่ามีคลื่นความโน้มถ่วงอีกครั้ง แต่เขารวมถึงนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ก็เห็นพ้องกันว่าคลื่นนี้แผ่วเบามากจนไม่น่าจะตรวจจับได้
ในปี2502 โจเซฟ เวเบอร์ ซึ่งเป็นนักวิจัยเรื่องเลเซอร์รุ่นบุกเบิก เป็นคนแรกที่พยายามตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง เครื่องตรวจจับของเวเบอร์เป็นคานอะลูมินัมสองแท่งคล้ายส้อมเสียง เขาเฝ้าคอยสังเกตการสั่นไหวอยู่เป็นเวลาหลายปี จนถึงปี 2512 เวเบอร์ก็ต้องยอมรับว่าความพยายามนั้นล้มเหลว ไม่มีการพบคลื่นความโน้มถ่วงแต่อย่างใด
แต่นั่นไม่ได้หยุดความพยายามของนักวิทยาศาสตร์วอลเทอร์ วิงเกลอร์ ร่วมกับ ไฮนซ์ บิลลิง นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ชื่อก้องโลก เป็นอีกคณะหนึ่งที่ต้องการสานต่องานของเวเบอร์ ทั้งคู่ได้บินจากเยอรมนีไปพบเวเบอร์ถึงเพนซิลเวเนียเพื่อดูแบบของเครื่องตรวจจับรุ่นบุกเบิก
ในปี2515 ถึง 2518 คณะของวิงเกลอร์ได้ปฏิบัติการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยวิธีการที่พัฒนาจากแบบของเวเบอร์ และผลก็ออกมาเช่นเดียวกับเวเบอร์ สิ่งที่ตรวจได้ไม่มีอะไรนอกจากสัญญาณรบกวน
ในยุคนั้นวิทยาการคอมพิวเตอร์ยังไม่ก้าวหน้านักและยังไม่แพร่หลาย เครื่องมือของวิงเกลอร์ให้ผลลัพท์เป็นการพิมพ์ลงบนแถบกระดาษยาวเหยียด หลังจากนั้นก็ปล่อยให้คนไปนั่งเพ่งแถบกระดาษนั้นและแยกแยะว่าสัญญาณใดเป็นคลื่นความโน้มถ่วง สัญญาณใดคือสัญญาณรบกวน แน่นอนว่านี่ต้องเป็นงานของคนที่มีมานะเปี่ยมล้นเท่านั้นจึงจะทำได้
หลังจากนั้นไม่นานวิงเกลอร์และบิลลิงก็พัฒนาเครื่องตรวจวัดขึ้นมาใหม่โดยใช้หลักการแตกต่างไปจากของวิงเกลอร์โดยสิ้นเชิง เครื่องมือรุ่นใหม่ใช้แบบของ ไรเนอร์ ไวสส์ ซึ่งใช้หลักการแทรกสอดในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง เครื่องรุ่นแรกที่คณะนี้สร้างขึ้นมีแขนยาวเพียงหนึ่งฟุต หลังจากนั้นก็ปรับปรุงใหม่ให้ยาวขึ้นเป็นหลายเมตร
หลักของการแทรกสอดนี้เองที่เป็นพื้นฐานของหอสังเกตการณ์ไลโกต่อมา
เป็นเวลาไม่นานนักที่นักวิทยาศาสตร์จากเยอรมันกลุ่มนี้เริ่มตระหนักทราบว่าการตรวจจับคลื่นที่แสนแผ่วเบานี้จำเป็นต้องสร้างเครื่องตรวจจับที่มีแขนยาวในระดับหลายกิโลเมตรไม่ใช่เป็นเมตรแต่งบประมาณการสร้างที่แพงลิบลิ่วก็ทำให้ฝันของนักวิทยาศาสตร์คณะนี้ก็ต้องมอดดับลงเมื่อรัฐบาลเยอรมันไม่อนุมัติโครงการ
แต่ในฝั่งอเมริกาเส้นทางกลับสดใสในปี 2535 ไวสส์ร่วมกับ คิป ทอร์น และ โรนัลด์ เดรเวอร์ จากคาลเทคดำเนินโครงการไลโกด้วยเงินทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติอเมริกา ไลโกจึงได้เกิดขึ้น
ถ้าไลโกมีชีวิตคงต้องลำบากลำบนกับการเกิดมามีหูทิพย์ ความไวที่สูงมากของไลโกกลายเป็นปัญหาสำคัญของการตรวจหาแยกแยะคลื่นที่แผ่วเบาออกจากสิ่งแวดล้อมที่สั่นสะเทือนรุนแรงกว่าหลายเท่า ไลโกตรวจจับได้แม้แต่แรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากคนภายในพูดคุยกัน จากการจราจรบนถนนที่อยู่ห่างออกไปไม่ไกล เสียงไม้ล้มในป่าไม้ที่อยู่ข้างเคียง หรือแม้แต่เสียงคลื่นซัดฝั่งที่อ่าวเมกซิโก คลื่นสั่นสะเทือนจากเหตุการณ์เหล่านี้อาจกลบคลื่นความโน้มถ่วงจนไม่เห็นร่องรอยได้ง่าย ๆ ด้วยเหตุนี้บริเวณสถานีไลโกจึงต้องมีการจำกัดความเร็วของรถยนต์ หากรถวิ่งด้วยความเร็วเกิน 16 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ไลโกก็จะตรวจจับได้
แล้วจะแยกแยะได้อย่างไรว่าคลื่นใดคือคลื่นความโน้มถ่วงคลื่นใดคือสัญญาณรบกวน? ดร.มาร์โก กาวาลยีอา ผู้ช่วยศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยมิสซิสซิปปีอธิบายว่า “ให้นึกถึงตอนเราหมุนหน้าปัดวิทยุรถยนต์เพื่อหาเพลงฟัง ขณะที่เราหมุนหาคลื่น เราจะได้ยินแต่เสียงสัญญาณรบกวนซู่ซ่าฟังไม่รู้เรื่อง แต่เมื่อหมุนมาถึงคลื่นของสถานี คุณจะรู้ทันที เพราะสมองของเราได้เก็บรูปแบบของเสียงมนุษย์ไว้ จึงจำแนกแยกแยะเสียงออกจากสัญญาณรบกวนได้”
คลื่นความโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่ตรวจจับได้ยากมากเหตุการณ์ที่จะก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงได้รุนแรงในระดับที่พอตรวจจับได้จากโลก ต้องเป็นเหตุการณ์ที่มีวัตถุที่มีมวลและความหนาแน่นสูงมากเคลื่อนที่ไปมาอย่างรวดเร็ว ซึ่งในธรรมชาติมีเหตุการณ์ทำนองนี้อยู่จริงเช่น ดาวนิวตรอนคู่หรือหลุมดำคู่ที่โคจรรอบกันเองตีวงเข้าหากันจนชนกันและรวมเป็นวัตถุเดียว
หอสังเกตการณ์ไลโก(LIGO -- Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) เป็นหอสังเกตการณ์ที่สร้างขึ้นเพื่อตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงโดยเฉพาะ มีลักษณะไม่เหมือนหอดูดาวทั่วไป โครงสร้างหลักเป็นท่อสุญญากาศสองท่อวางในแนวราบทำมุมฉากกันเป็นรูปตัวแอล (L) แต่ละท่อยาว 4 กิโลเมตร ในการตรวจจับคลื่น จะยิงเลเซอร์อินฟราเรดเข้มข้นใส่ตัวแยกลำแสงเพื่อแยกเลเซอร์ออกเป็นสองทางไปตามปลายท่อทั้งสอง กระจกสะท้อนที่ปลายท่อจะสะท้อนเลเซอร์กลับไปยังตัวตรวจจับเพื่อรวมแสงสะท้อนจากทั้งสองทางเข้าด้วยกัน ในภาวะปกติ แสงเลเซอร์ที่สะท้อนกลับมาซึ่งมีเฟสตรงข้ามกันจะหักล้างกันหมดสิ้น แต่หากระยะของท่อมีความเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นแม้เพียงเล็กน้อย จะทำให้เฟสของสัญญาณเหลื่อมกันและหักล้างกันไม่หมด เกิดสัญญาณลัพธ์ที่ตรวจวัดและนำไปวิเคราะห์ได้
ระบบของไลโกมีความไวสูงมากพอที่จะรับรู้ระยะห่างของท่อที่เปลี่ยนแปลงไปแม้เพียง1 ใน 10,000 ของขนาดของโปรตอน ความไวที่สูงยิ่งยวดเช่นนี้จำเป็นมากในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่แสนแผ่วเบา เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงแผ่เข้ามายังโลกและผ่านท่อของไลโก ระยะของท่อจะยืดหดตามระลอกของปริภูมิเวลา
แน่นอนว่าการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมอาจมีผลต่อระยะของท่อด้วยเช่นยานยนต์ที่วิ่งผ่านหรือกิจกรรมทางธรณีวิทยา หอสังเกตการณ์ไลโกจึงสร้างสถานีตรวจจับไว้สองแห่ง แห่งหนึ่งอยู่ในแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน อีกแห่งหนึ่งอยู่ห่างออกไปสามพันกิโลเมตรในลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา จึงตัดปัญหาการตีความคลาดเคลื่อนไปได้ หากมีการรบกวนที่เกิดขึ้นภายในโลก จะมีผลเพียงสถานีใดสถานีหนึ่ง หรือเกิดที่เวลาต่างกันมาก แต่ถ้ามีความเปลี่ยนแปลงระยะท่อขึ้นเหมือนกันทั้งสองแห่ง ย่อมหมายความว่าต้นกำเนิดของคลื่นนั้นต้องมาจากนอกโลก
ปรากฏการณ์ที่ทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงมิได้มีแต่วัตถุระดับดาวฤกษ์ชนกันเท่านั้นการระเบิดของดาวฤกษ์ หรือแม้แต่การเกิดบิกแบงเองก็แผ่คลื่นความโน้มถ่วงเช่นกัน แต่ความถี่ของคลื่นจะแตกต่างกันไป ระบบตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงระบบใดระบบหนึ่ง ก็มีย่านความถี่ตอบสนองเฉพาะตัว
หากหลุมดำยักษ์ใจกลางดาราจักรชนกันจะแผ่คลื่นความโน้มถ่วงที่มีความถี่ต่ำกว่าเสียงฮัมของปลาวาฬนับหมื่นเท่า ซึ่งต่ำเกินกว่าที่ไลโกจะตรวจจับได้ ไลโกถูกออกแบบมาเพื่อตรวจจับคลื่นที่มีความถี่ 30-7000 เฮิรตซ์ ซึ่งวัตถุที่ทำให้เกิดคลื่นในย่านนี้ก็คือดาวนิวตรอนหรือหลุมดำนั่นเอง
หอสังเกตการณ์ไลโกสร้างเสร็จและเปิดใช้งานเมื่อปี2545 ต่อมามีการปรับปรุงครั้งใหญ่ที่เพิ่มความไวขึ้นถึงสิบเท่า ไลโกโฉมใหม่มีชื่อว่า เอ-ไลโก (aLIGO) การค้นพบที่เขย่าโลกในครั้งนี้เกิดขึ้นหลังจากการปรับปรุงใหญ่เสร็จสิ้นเพียงไม่กี่วันเท่านั้น
สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์รอคอยมานานได้เกิดขึ้นเมื่อวันที่14 กันยายน 2558 16:51 นาฬิกาตามเวลาประเทศไทย เมื่อสถานีไลโกในลิฟวิงสตันตรวจวัดสัญญาณการกระเพื่อมได้ แล้วหลังจากนั้นอีก 7 มิลลิวินาที (7 ใน 1,000 ส่วนของวินาที) สถานีที่แฮนฟอร์ดก็ได้รับสัญญาณที่มีรูปแบบเกือบจะเหมือนกัน
และรูปแบบการกระเพื่อมที่ไลโกตรวจวัดได้ตรงกับรูปแบบการกระเพื่อมที่ทฤษฎีว่าไว้พอดี เป็นหลักฐานที่หนักแน่นชัดเจนว่าสิ่งที่ไลโกตรวจวัดได้นั้นคือคลื่นความโน้มถ่วงจากอวกาศจริง
จากการวิเคราะห์คลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจวัดได้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเกิดจากหลุมดำสองดวงชนกัน ดวงหนึ่งมีมวล 36 มวลสุริยะ อีกดวงหนึ่งมีมวล 29 มวลสุริยะ หลังจากการชนหลุมดำทั้งสองได้รวมกันเป็นหลุมดำดวงเดียวที่มีมวล 62 มวลสุริยะ มวล 3 มวลสุริยะที่หายไปได้กลายไปเป็นพลังงานที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วง
การคำนวณพบว่าพลังงานที่แผ่ออกมาในรูปคลื่นความโน้มถ่วงในเสี้ยววินาทีก่อนการชนนั้น รุนแรงมากถึง 50 เท่าของพลังงานที่มีอยู่ในส่วนที่เหลือของเอกภพทั้งหมดรวมกัน!
ไลโกมีสถานีตรวจวัดเพียงสองแห่งจึงบอกไม่ได้ว่าแหล่งที่มาของคลื่นแรงโน้มถ่วงนั้นมาจากที่ใดกันแน่ บอกได้เพียงทิศทางคร่าว ๆ ที่มีขนาด 600 ตารางองศาบนท้องฟ้า ใกล้ตำแหน่งของเมฆแมเจลแลนใหญ่ การระบุระยะห่างของแหล่งกำเนิดก็ยังเป็นเรื่องพ้นวิสัยเช่นกัน ไลโกบอกได้เพียงว่าแหล่งนั้นน่าจะอยู่ห่างจากโลกระหว่าง 700 ล้านปีแสงถึง 1.6 พันล้านปีแสง
เดวิด
คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร
คลื่นความโน้มถ่วง
กลศาสตร์ของนิวตันกล่าวว่า
กลศาสตร์นิวตันอธิบายว่าวัตถุที่มีมวลจะมีแรงโน้มถ่วง เป็นแรงที่เกิดขึ้นในลักษณะของสนามคงตัวและอยู่บนปริภูมิที่คงที่ (บน) ส่วนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายว่ามวลทำให้ปริภูมิเวลาบิดโค้ง มวลดึงดูดกันเพราะไหลมาตามปริภูมิเวลาที่บิดโค้งนั้น มิได้เกิดจากแรง (ล่าง)
ไอน์สไตน์เองก็เคยค้าน
แม้เรื่องคลื่นความโน้มถ่วงจะเป็นปรากฏการณ์ที่พยากรณ์ขึ้นได้โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของแอลเบิร์ต
แอลเบิร์ต ไอน์สไตน์
ใน
ความพยายามในยุคเริ่มต้น
ในปี
แต่นั่นไม่ได้หยุดความพยายามของนักวิทยาศาสตร์
ในปี
ในยุคนั้น
หลังจากนั้นไม่นาน
หลักของการแทรกสอดนี้เองที่เป็นพื้นฐานของหอสังเกตการณ์ไลโกต่อมา
ไรน์เนอร์ ไวสส์ ผู้คิดวิธีตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยหลักการแทรกสอด (จาก web.mit.edu)
เป็นเวลาไม่นานนักที่นักวิทยาศาสตร์จากเยอรมันกลุ่มนี้เริ่มตระหนักทราบว่าการตรวจจับคลื่นที่แสนแผ่วเบานี้จำเป็นต้องสร้างเครื่องตรวจจับที่มีแขนยาวในระดับหลายกิโลเมตรไม่ใช่เป็นเมตร
แต่ในฝั่งอเมริกาเส้นทางกลับสดใส
ถ้าไลโกมีชีวิต
แล้วจะแยกแยะได้อย่างไรว่าคลื่นใดคือคลื่นความโน้มถ่วง
คลื่นความโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่ตรวจจับได้ยากมาก
ไลโก
หอสังเกตการณ์ไลโก
ภาพถ่ายทางอากาศของหอสังเกตการณ์ไลโกในแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน
ผังส่วนประกอบหลัก แสดงหลักการทำงานของไลโก
ระบบของไลโกมีความไวสูงมากพอที่จะรับรู้ระยะห่างของท่อที่เปลี่ยนแปลงไปแม้เพียง
แน่นอนว่าการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมอาจมีผลต่อระยะของท่อด้วย
ปรากฏการณ์ที่ทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงมิได้มีแต่วัตถุระดับดาวฤกษ์ชนกันเท่านั้น
หากหลุมดำยักษ์ใจกลางดาราจักรชนกัน
หอสังเกตการณ์ไลโกสร้างเสร็จและเปิดใช้งานเมื่อปี
ภาพจำลองหลุมดำสองดวงชนกันที่แผ่คลื่นความโน้มถ่วงออกไปโดยรอบ เป็นสถานการณ์ที่พยากรณ์ได้ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของแอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ และเป็นสิ่งที่หอสังเกตการณ์ไลโกตรวจพบจริงเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 (จาก MPI for Gravitational Physics / Werner Benger / ZIB / Louisiana State University)
สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์รอคอยมานานได้เกิดขึ้นเมื่อวันที่
และรูปแบบการกระเพื่อมที่ไลโกตรวจวัดได้
จากการวิเคราะห์คลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจวัดได้
การคำนวณพบว่า
ไลโกมีสถานีตรวจวัดเพียงสองแห่ง