เมื่อวันที่ 28 มิถุนายนที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ได้ประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังของเอกภพ นับเป็นการค้นพบครั้งสำคัญยิ่ง และเป็นอีกครั้งหนึ่งที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของแอลเบิร์ต ไอนส์ไตน์ได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้องว่าวัตถุมวลสูงที่เคลื่อนที่ทำให้ปริภูมิเวลาบิดเบี้ยวได้ เหมือนระฆังยักษ์ที่เขย่าเอกภพจนก้องกังวานไปทั่ว 


ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง เป็นดาราศาสตร์แขนงใหม่ที่เพิ่งเกิดขึ้นมาเมื่อปี 2558 เมื่อมีการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรก

เมื่อราวปี 2458 แอลเบิร์ต ไอนส์ไตน์ ได้เผยแพร่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งเป็นทฤษฎีที่อธิบายถึงพฤติกรรมธรรมชาติของความโน้มถ่วง ทฤษฎีนี้ได้มองเอกภพเป็นสี่มิติที่รวมปริภูมิสามมิติกับเวลาเข้าด้วยกัน และอธิบายว่ามวลทำให้ปริภูมิเวลาบิดเบี้ยวได้  ตามทฤษฎีนี้ หากมีวัตถุมวลสูงเคลื่อนที่ จะทำให้ปริภูมิเวลามีการยืดหดเป็นระลอกแผ่ออกไปด้วยความเร็วเท่าแสง ในธรรมชาติ ปรากฏการณ์ที่ทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงได้ เช่น หลุมดำคู่หรือดาวนิวตรอนคู่หรือคู่ผสมที่เข้าใกล้กันและโคจรรอบกัน เมื่อหลุมดำโคจรตีวงเข้าหากันจนใกล้ชนกัน จะเคลื่อนที่เร็วมากจนเกิดคลื่นความโน้มถ่วงแผ่ออกไปรอบทิศ 

คลื่นความโน้มถ่วงมีความแผ่วเบามาก จึงตรวจจับได้ยากยิ่ง นั่นเป็นเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์ต้องใช้เวลาค้นหานานถึงหนึ่งศตวรรษจึงจะค้นพบและพิสูจน์ได้ว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีอยู่จริง

การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรกเกิดจากหอสังเกตการณ์ไลโกที่ทำงานโดยอาศัยหลักการแทรกสอดของคลื่น คลื่นที่พบในครั้งแรกนั้นเกิดจากหลุมดำที่มีมวล 36 มวลสุริยะกับ 29 มวลสุริยะมาชนกันแล้วหลอมรวมเป็นหลุมดำดวงเดียว หลังจากการค้นพบครั้งนั้นก็มีการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงจากเหตุการณ์แบบเดียวกันอีกหลายครั้ง นับจนถึงปัจจุบัน มีคลื่นความโน้มถ่วงที่ยืนยันได้เกือบ 100 ครั้งแล้ว


ไม่เพียงแต่หลุมดำมวลดาวฤกษ์เท่านั้นที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วงได้ นักดาราศาสตร์เชื่อว่าหลุมดำยักษ์หรือที่เรียกว่าหลุมดำมวลยวดยิ่งก็สร้างคลื่นความโน้มถ่วงได้เช่นกันหากมีคู่ที่โคจรรอบกันเอง นักดาราศาสตร์เชื่อว่ามีหลุมดำมวลยวดยิ่งคู่อยู่มากมายในเอกภพที่แผ่คลื่นความโน้มถ่วงออกมา 

แต่คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำมวลยวดยิ่งจะมีลักษณะต่างไป คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำมวลดาวฤกษ์ที่นักดาราศาสตร์ตรวจวัดได้มีความถี่สูงในระดับที่หูคนได้ยิน เมื่อแปลงเป็นคลื่นเสียงจะฟังออกเป็นเสียง "จิ๊บ" สั้น ๆ มีความยาวเพียงเสี้ยววินาที หรืออาจยาวเป็นเสียง "วี้ด" ที่มีความยาวอย่างมากก็เป็นนาที เป็นคลื่นระลอกเดียวที่ซัดผ่านมาแล้วก็หายไป แต่คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำมวลยวดยิ่งมีความถี่ต่ำกว่านั้นนับแสนล้านเท่า และเป็นคลื่นที่เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอจากคู่หลุมดำมวลยวดยิ่งที่กระจัดกระจายอยู่ทั่วเอกภพปะปนกัน คลื่นความโน้มถ่วงแบบนี้จึงมีลักษณะเป็นคลื่นพื้นหลังหรือเสียงฮัมความถี่ต่ำ 

การที่คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังมีความเข้มต่ำมากและความถี่ต่ำมากระดับนาโนเฮิรตซ์ คลื่นความโน้มถ่วงชนิดนี้จึงตรวจจับยากมาก ต้องอาศัยระยะเวลาในการสังเกตการณ์นานและเครื่องมือวัดที่มีความไวสูงและเที่ยงตรงมาก หากจะสร้างหอสังเกตการณ์แบบไลโกขึ้นมาเพื่อตรวจจับคลื่นนี้จะต้องมีขนาดใหญ่เท่าดาราจักรเลยทีเดียว 


แต่นักดาราศาสตร์ก็ไม่อับจนหนทางที่จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง แทนที่จะสร้างหอสังเกตการณ์ขึ้นมา กลับใช้สิ่งที่มีอยู่ในธรรมชาติให้เป็นประโยชน์ สิ่งนั้นก็คือ พัลซาร์ 

พัลซาร์ เป็นซากของดาวฤกษ์มวลสูงที่สิ้นอายุขัยไปแล้ว อยู่ในสภาพของดาวนิวตรอน ดาวนิวตรอนมีสนามแม่เหล็กเข้มข้น แผ่รังสีรุนแรงออกมาเป็นลำตามแนวขั้วแม่เหล็ก เมื่อดาวนิวตรอนหมุนรอบตัวเอง จะกวาดลำของรังสีออกไปโดยรอบเหมือนประภาคาร หากดาวนิวตรอนดวงใดกวาดลำของรังสีนี้มายังโลกพอดี กล้องโทรทรรศน์บนโลกก็จะตรวจจับสัญญาณนี้ได้เป็นรายคาบตามอัตราการหมุนของดาวนิวตรอน สัญญาณรายคาบนี้เรียกว่า พัลส์ 

ดาวนิวตรอนมีอัตราการหมุนรอบตัวเองคงที่ พัลส์จากพัลซาร์จึงมีความเที่ยงตรงมาก ประกอบกับการที่พัลซาร์มีอยู่เป็นจำนวนมากในดาราจักร นักดาราศาสตร์จึงใช้พัลส์จากพัลซาร์แทนสัญญาณนาฬิกาในการตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังได้ เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงพัดผ่านเข้ามาในดาราจักร ระยะห่างระหว่างพัลซาร์กับโลกจะยืดหดไปตามกระแสคลื่น ระยะที่เปลี่ยนแปลงนี้ทำให้สัญญาณพัลส์จากพัลซาร์มาถึงโลกช้าลงหรือเร็วขึ้นตามระยะทางที่เปลี่ยนไป คาบของพัลส์ที่วัดได้จึงเปลี่ยนแปลงขึ้นลงด้วย ระยะห่างระหว่างพัลซาร์ที่เปลี่ยนแปลงอาจน้อยเพียงไม่กี่สิบเมตรเท่านั้น ดังนั้นเครื่องมือวัดจึงต้องแม่นยำและละเอียดพอที่จะวัดความเปลี่ยนแปลงในระดับนาโนวินาที (หนึ่งในหนึ่งพันล้านวินาที) ได้ 



หากข้อมูลมาจากพัลซาร์เพียงดวงเดียวหรือไม่กี่ดวง ความผันแปรนี้อาจบอกอะไรได้ไม่มาก แต่หากมีการสำรวจพัลซาร์หลายดวงที่กระจัดกระจายอยู่ทั่วดาราจักร ก็จะแยกแยะสัญญาณจากคลื่นความโน้มถ่วงออกจากคลื่นรบกวนอื่น ๆ ได้ เพราะพัลซาร์ที่มีตำแหน่งใกล้กัน จะมีรูปแบบการผันแปรเหมือนกันหรือพร้อมเพรียงกัน ส่วนพัลซาร์ที่มีตำแหน่งอยู่ห่างกันจะมีรูปแบบการผันแปรต่างกัน การที่การยืดและหดของปริภูมิเวลาเปลี่ยนแปลงไปตามทิศทางเป็นสิ่งบ่งชี้ว่าเกิดจากคลื่นความโน้มถ่วงนั่นเอง ด้วยหลักการนี้ทำให้พัลซาร์กลายเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องตรวจคลื่นความโน้มถ่วงที่มีความกว้างนับปีแสงได้ 

ความพยายามของนักดาราศาสตร์ไม่สูญเปล่า หลังจากความเพียรพยายามเป็นเวลานานนับสิบปี ในที่สุดก็มีการประกาศว่าค้นพบหลักฐานที่เชื่อได้ว่ามีคลื่นชนิดนี้อยู่จริงเมื่อปลายเดือนมิถุนายนที่ผ่านมา 

มีโครงการหลายโครงการที่ตั้งขึ้นมาเพื่อค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังโดยใช้หลักการวัดคาบพัลซาร์นี้ โครงการพารกส์พัลซาร์ไทมิงอาร์เรย์ (Parkes Pulsar Timing Array--PPTA) หรือ พีพีทีเอ เป็นโครงการระดับนานาประเทศ มีวัตถุประสงค์เพื่อสำรวจค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังด้วยวิธีวัดคาบของพัลซาร์ โดยใช้กล้องโทรทรรศน์มูร์ริยังหรือชื่อเดิมคือของวิทยุพารกส์ที่ตั้งอยู่ที่นิวเซาท์เวลส์ ออสเตรเลีย โครงการนี้ได้สังเกตพัลซาร์มิลลิวินาทีจำนวน 115 ดวงมาเป็นเวลาถึงเกือบสองทศวรรษ


อีกโครงการหนึ่งดำเนินการโดยสหพันธ์หอสังเกตการณ์นาโนเฮิรตซ์สำหรับคลื่นความโน้มถ่วงแห่งอเมริกาเหนือ หรือ นาโนเกรฟ (NANOGrav--North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) โครงการนี้ใช้กล้องของหอดูดาวอาเรซิโบในเปอร์โตริโก หอดูดาวกรีนแบงก์ในเวสต์เวอร์จิเนีย เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วีแอลเอในนิวเมกซิโก และกล้องไชม์ในแคนาดา โครงการนี้ได้วัดสัญญาณจากพัลซาร์จำนวน 68 ดวงทุกเดือนเป็นเวลา 15 ปี 


ทางจีนก็มีโครงการซีพีทีเอซึ่งใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุฟาสต์ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุจานเดี่ยวที่ใหญ่ที่สุดในโลกสำรวจพัลซาร์ 57 ดวง ยุโรปก็มีเครือข่ายเอปตา (EPTA--European Pulsar Timing Array) ซึ่งใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุเอฟเฟิลแบร์คในเยอรมัน กล้องโทรทรรศน์โลเวลล์ในสหราชอาณาจักร กล้องโทรทรรศน์วิทยุนองเซในฝรั่งเศส กล้องโทรทรรศน์วิทยุซาดีเนียในอิตาลี และกล้องโทรทรรศน์วิทยุสังเคราะห์เวสเตอร์บอร์กในเนเธอร์แลนด์  อินเดียกับญี่ปุ่นก็จับมือกับดำเนินโครงการไอเอ็นพีทีเอ (InPTA--Indian Pulsar Timing Array) ซึ่งใช้กล้องจีเอ็มอาร์ทีในการสำรวจเช่นกัน

โครงการทั้งหมดที่กล่าวมานี้ต่างออกมาเปิดเผยผลการค้นพบหลักฐานของคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังในเวลาใกล้เคียงกัน 


ด้วยหลักฐานที่พบในขณะนี้ยังไม่อาจยืนยันได้อย่างแน่ชัดว่าเป็นผลจากคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังจริง แต่ก็ถือว่าเป็นหลักฐานที่หนักแน่นพอที่จะทำให้นักดาราศาสตร์เชื่อมั่นถึงเกือบร้อยเปอร์เซ็นต์ว่าใช่จริง ๆ หากต้องการให้ยืนยันได้แน่ชัดจำเป็นต้องมีข้อมูลการสำรวจเพิ่มเติม และขณะนี้ก็ได้มีการนำข้อมูลจากโครงการต่าง ๆ ที่กล่าวมามาประมวลผลร่วมกัน ซึ่งจะทำให้จำนวนพัลซาร์ที่เกี่ยวข้องมีมากกว่าหนึ่งร้อยดวง ทำให้ความไวในการตรวจจับเพิ่มขึ้นอีกหลายเท่าตัว