กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#13 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 2 Gravitational Lensing

การเบี่ยงเบนของแสง (The Bending of Light)

theguardian.com

จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (Theory of General Relativity, 1915) โดยปกติแล้วแสงเดินทางเป็นเส้นตรงในอวกาศที่ว่างเปล่า แต่เมื่อเดินทางผ่านวัตถุขนาดใหญ่ในอวกาศ  ความโค้งของ space-time หรือ gravity ในบริเวณนั้น ส่งผลให้แสงเบี่ยงเบนหรือเดินทางเป็นเส้นโค้ง

ไอน์สไตน์ได้ตระหนักดีว่า วิธีเดียวที่จะพิสูจน์ทฤษฎีของเขาในเรื่อง การเบี่ยงเบนของแสงอันเนื่องจากอิทธิพลของสนามความโน้มถ่วงรอบวัตถุที่มีมวลมาก คือต้องทำในช่วงเวลาที่มีสุริยุปราคา (solar eclipse) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ดวงจันทร์ได้เคลื่อนเข้ามาบดบังแสงอาทิตย์ทำให้โลกมืดมิดในตอนกลางวัน ซึ่งจะทำให้คนบนโลกสามารถถ่ายภาพดาวฤกษ์ (stars) ที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ได้

ภาพ Albert Einstein และ Arthur Eddington (sciencephoto.com)

การตรวจสอบที่พิสูจน์ว่าการคาดการณ์ของไอน์สไตน์นั้นถูกต้อง ครั้งแรกเกิดขึ้น 4 ปีหลังจากที่ไอน์สไตน์ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดย Arthur Eddington นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ ใช้โอกาสเหมาะของปรากฏการณ์สุริยุปราคาที่เกิดขึ้นในวันที่ 29 พฤษภาคม 1919 ทำการตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีนี้

สมมติว่ามีดาวฤกษ์ดวงหนึ่งอยู่ห่างจากโลกหลายพันปีแสง การเกิดสุริยุปราคาทำให้เราสามารถเห็นดาวฤกษ์ดวงนั้นในช่วงเวลากลางวัน ตามปกติแสงจากดาวฤกษ์เดินทางเป็นเส้นตรงในอวกาศ แต่เมื่อแสงผ่านเข้าใกล้ขอบของดวงอาทิตย์ อิทธิพลของความโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ทำให้แสงเบนไป ทำให้เรามองเห็นดาวฤกษ์ปรากฎในตำแหน่งใหม่ที่เบี่ยงเบนไปจากตำแหน่งจริงของมัน ตำแหน่งใหม่ของดาวที่ปรากฎในช่วงสุริยุปราคานี้เรียกว่า “ตำแหน่งปรากฏ หรือ apparent position”

 สิ่งที่แนวคิดนี้บอกจริงๆก็คือแสงที่มาจากดาวอันไกลโพ้นนั้นจะถูกหักเหจากบางมุมต่อหน้าสนามโน้มถ่วงที่รุนแรง ในกรณีที่แสดงด้านบนสนามโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งนี้จัดทำโดยดวงอาทิตย์ของเราเอง

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป  ไอน์สไตน์ได้คาดการณ์ว่าแสงจะมีค่าเบี่ยงเบน 1.75 ฟิลิปดา (arc second) หรือ 0.000486 องศา จากการเปรียบเทียบภาพถ่ายที่แสดงตำแหน่งจริงของดาวฤกษ์ที่ถ่ายในช่วงเวลากลางคืน กับภาพถ่ายที่แสดงตำแหน่งใหม่ของดาวฤกษ์ที่ถ่ายในช่วงการเกิดสุริยุปราคาซึ่งเป็นเวลากลางวัน  Eddington วัดค่าเบี่ยงเบนของแสงได้ที่ 1.75 ฟิลิปดา เท่ากับที่ไอน์สไตน์คาดการณ์ไว้ สำหรับนิวตันก็คาดการณ์ค่าเบี่ยงเบนของแสงเช่นกันอยู่ที่ 0.88 ฟิลิปดา ซึ่งเป็นค่าครึ่งหนึ่งของที่ไอน์สไตน์ให้ไว้ จะเห็นได้ว่าการคาดการณ์ของไอน์สไตน์มีความแม่นยำกว่า

การตรวจสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ทำในช่วงการเกิดสุริยุปราคาครั้งต่อๆมา ก็ได้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกับการคาดการณ์ของไอน์สไตน์

quora.com

Stars Align – Lindsey Stirling

Gravitational Lensing

Gravitational Lensing เป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นกับแสงที่เดินทางมาจากแหล่งกำเนิดไกลโพ้น แล้วเกิดการเบี่ยงเบนอันเนื่องจากความโน้มถ่วงหรือ gravity ของวัตถุมวลมาก (ที่อยู่ระหว่างแหล่งกำเนิดแสงกับผู้สังเกตการณ์) โดยวัตถุมวลมากจะทำตัวเป็นเลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lens) บิดเบือนแสงเป็นหลายเส้นทางเดิน ผลทำให้เกิดภาพของแหล่งกำเนิดแสงหลายภาพ, ภาพเส้นโค้งของแสง (arcs) และวงแหวนไอน์สไตน์ (Einstein ring)

หมายเหตุ: วัตถุมวลมากที่ทำตัวเป็น gravitational lens ได้แก่ quasars, galaxies, galaxy clusters, blackholes

ในปี 1912 สามปีก่อนการประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไอน์สไตน์ได้เขียนคำอธิบายสั้นๆเกี่ยวกับหนึ่งในปรากฏการณ์ที่สำคัญที่สุดที่เป็นผลมาจากการเบี่ยงเบนของแสง คือความเป็นไปได้ของการเกิดเลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lens) พร้อมภาพสเก็ตคร่าวๆ รวมทั้งเขียนสมการทางคณิตศาสตร์ไว้ในสมุดโน้ตของเขา

โดยไอน์สไตน์ได้เขียนคำอธิบายไว้ดังนี้ แสงที่มาจากแหล่งกำเนิด S ที่อยู่ระยะไกล เมื่อเดินทางผ่านมวล M ซึ่งทำตัวเป็นเลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lens) แสงจะถูกบิดเบือนในลักษณะที่แสงไปถึงผู้สังเกตุการณ์ O เป็น 2 เส้นทางที่ต่างกัน โดยผู้สังเกตุการณ์ O จะเห็นภาพของแหล่งกำเนิดแสง S เป็นภาพ 2 ภาพที่มีความแตกต่างกัน

ต่อมาในปี 1936 ไอน์สไตน์ได้ลงบทความสั้นในนิตยสาร Science เกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการเกิด gravitational lens ที่เป็นผลมาจากความโน้มถ่วงของดวงดาว (stars)

ในปี 1937 นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน Fritz Zwicky ได้พูดถึงความเป็นไปได้ในการสังเกตุเห็น gravitational lens ที่เกิดกับกาแล็กซี่ (galaxies) จากขนาด มวล และระยะทาง ของกาแล็กซี่ น่าจะทำให้เกิดภาพ 2 ภาพ มากกว่าจะเป็นดวงดาว (stars) ที่ทำให้เกิดภาพ 2 ภาพอย่างที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้

Gravitational Lensing (First discovery)

จนกระทั่งปี 1979 มีการค้นพบเลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lens) ครั้งแรกของ “เควซาร์ or quasar” (แหล่งกำเนิดของคลื่นวิทยุคล้ายกับดวงดาว) ในตอนแรกนักดาราศาสตร์เข้าใจว่าเป็นเควซาร์ 2 อันที่เป็นฝาแฝดกัน (Twin quasar) ในไม่ช้าพวกเขาก็ตระหนักว่า Twin quasar อยู่ใกล้กันมาก วางตัวในแนวเดียวกันจากโลก และมีคุณสมบัติที่คล้ายกันอย่างน่าประหลาดใจ ในที่สุดนักดาราศาสตร์พบว่าสิ่งที่พวกเขาเห็นไม่ใช่ Twin quasar ตามที่เข้าใจ แต่มันเป็น quasar เพียงแค่อันเดียว

จากภาพข้างบน เห็นเป็น quasars สองอันอยู่ใกล้กัน ที่รู้จักกันดีในชื่อ “Twin Quasar QSO 0957+561” เกิดจากการที่กาแล็กซี่ YGKOW G1 ที่อยู่ในแนวสายตาระหว่างโลกและเควซาร์ กระทำตัวเป็น gravitational lens บิดเบือนแสงที่มาจาก quasar เป็นทางเดินแสง 2 เส้น ทำให้ผู้สังเกตุบนโลกเห็นเป็น quasar สองอัน การค้นพบครั้งนี้ถือเป็นหลักฐานแรกที่สนับสนุนคำนายของไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

Gravitational Lensing by Galaxy

chandra.harvard.edu

ภาพแสดงปรากฏการณ์ gravitational lensing แสงที่เดินทางมาจาก real quasar ไกลโพ้น ถูกเบี่ยงเบนด้วยอิทธิพลของสนามความโน้มถ่วงของกาแล็กซี่ ทำให้ภาพถ่ายจากดาวเทียม Chandra ของอินเดีย เห็นเป็น quasar สองอัน (ภาพนี้สามารถใช้อธิบายการเกิดภาพ Twin Quasar QSO 0957+561)

Gravitational Lensing by Galaxy Cluster

hubblesite.org

ภาพถ่ายที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble ขององค์การนาซ่า แสดงให้เห็นปรากฏการณ์ gravitational lensing ที่เกิดจากกระจุกกาแล็กซี่หรือ galaxy cluster ซึ่งทำตัวเป็นเลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lens) บิดเบือนแสงที่มาจาก quasar เป็นเส้นทางเดินแสง 5 เส้น ทำให้ภาพที่ได้เห็นเป็น quasars จำนวน 5 อัน รวมทั้งยังเห็นเส้นโค้งสีแดง (lensing arcs) ของ galaxy cluster ที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์ความโน้มถ่วง

8 Letters – Why Don’t We

spacetelescope.org

ล่าสุดในปี 2018 ภาพถ่ายจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble space telescope) ขององค์การนาซ่า และกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มากของหอดูดาวยุโรปใต้ ได้เผยให้เห็นการบิดเบือนของแสงที่เกิดจากสนามความโน้มถ่วงอันทรงพลังของกาแล็กซี่ ESO 325-G004 ซึ่งอยู่ไกล้โลก โดยกาแล็กซี่ ESO 325-G004 ทำตัวเป็นเลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lens) ที่แข็งแกร่งบิดเบือนแสงที่มาจากกาแล็กซีไกลโพ้นที่อยู่ด้านหลังของมัน ทำให้เกิด “วงแหวนไอน์สไตน์ (Einstein ring)” รอบกาแล็กซี่ ESO 325-G004 เมื่อเปรียบเทียบมวลของกาแล็กซี่  ESO 325-G004 กับความโค้งของอวกาศรอบมัน นักดาราศาสตร์พบว่าความโน้มถ่วงตามสเกลระยะทางทางดาราศาสตร์ (astronomical length-scales) ตรงตามที่ไอน์สไตน์คาดการณ์ไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ที่ผ่านมานักดาราศาสตร์สามารถสังเกตเห็น gravitational lens เกิดขึ้นกับวัตถุที่มีขนาดใหญ่มากเท่านั้น โดยพบประมาณ 200-300 เลนส์ แต่ส่วนใหญ่อยู่ไกลเกินกว่าที่จะวัดค่ามวลได้อย่างแม่นยำ ในกรณีของกาแล็กซี่ ESO 325-G004 ซึ่งอยู่ห่างจากโลกเพียง 450 ล้านปีแสง ทำให้สามารถวัดค่ามวลของกาแล็กซี่นี้ได้ นับว่าเป็นปรากฏการณ์ gravitational lensing ที่ใกล้ที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมา การค้นพบ Einstein ring นอกกาแล็กซี่ทางช้างเผือกครั้งนี้ เป็นการตรวจสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่มีความแม่นยำที่สุด

อีกตัวอย่างหนึ่งของการเกิดวงแหวนไอน์สไตน์ (Einstein ring) ข้างบนเป็นภาพถ่าย 8 ภาพของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble ที่ถ่ายภาพกาแล็กซี่ขนาดใหญ่ที่อยู่ห่างไกลจากโลก 2 ถึง 4 พันล้านปีแสง ภาพที่ได้มีลักษณะคล้ายตาวัว ที่มีเส้นโค้งสีน้ำเงินบางๆล้อมรอบดวงไฟนีออน เส้นโค้งสีน้ำเงินก็คือ Einstein ring ที่ล้อมรอบกาแล็กซี่ (ดวงไฟนีออน) ที่ทำหน้าที่เป็น gravitational lens นั่นเอง

Gravitational lens มีความสำคัญมากในทางดาราศาสตร์

มันถูกใช้ในการตรวจจับสสารมืด (dark matter) มันบอกเราถึงคุณสมบัติและการกระจายตัวของสสารมืด

นักดาราศาสตร์ใช้มันเสมือนกล้องโทรทรรศน์ เพื่อหากาแล็กซี่ที่อยู่ไกลโพ้น

Adele – Send My Love (To Your New Lover)

• Facebook
• Twitter
• Line