กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#17 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 6 Gravitational Waves (2)

เมื่อ 100 ปีที่ผ่านมา ไอน์สไตน์ได้ทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational waves) ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity, 1915) คลื่นเหล่านี้เกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของวัตถุมวลมาก 2 มวลที่โคจรรอบกันและกัน เช่น หลุมดำหรือดาวนิวตรอน มารวมตัวกัน

เมื่อปี 1993 นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ Russell Hulse และ Joseph Taylor ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการค้นพบหลักฐานทางอ้อมที่สนับสนุนการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง

การหมุนรอบตัวเองของพัลซาร์ (pulsars) ทำให้เราที่อยู่บนโลกสามารถสังเกตุเห็นลำแสงของคลื่นวิทยุที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากพัลซาร์เป็นช่วงจังหวะสม่ำเสมอ ด้วยเหตุนี้พัลซาร์จึงได้ชื่อว่าเป็นนาฬิกาในธรรมชาติที่ดีที่สุดของจักรวาล

นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทั้งสองใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุเฝ้าติดตามการปล่อยคลื่นวิทยุหรือ “radio plus” ของพัลซาร์ในระบบดาวคู่ Hulse-Taylor Binary พวกเขาพบว่าคาบการโคจร (orbital period) ที่ดาวทั้งสองโคจรรอบกันและกันลดลงตลอดเวลา แสดงถึงการเกิด “orbital decay” การค่อยๆลดลงของระยะห่างระหว่างดาวทั้งสอง เนื่องจากการสูญเสียพลังงานในรูปของคลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกปลดปล่อยออกมา อัตราการสูญเสียพลังงานตรงกันกับที่ไอน์สไตน์ให้ไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ตั้งแต่นั้นมานักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ศึกษาการปลดปล่อยคลื่นวิทยุของพัลซาร์ในระบบดาวคู่นิวตรอนอื่นๆ และพบผลลัพธ์ที่คล้ายกัน ถึงแม้นว่า Binary pulsars จะยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง แต่มันเป็นวิธีการตรวจจับโดยทางอ้อม ซึ่งได้กระตุ้นให้เกิดการการค้นหาเพิ่มเติมโดยนักวิทยาศาสตร์หลายๆกลุ่มทั่วโลกตั้งแต่นั้นมา และหนึ่งในนั้นคือ หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงไลโก “LIGO” (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)

Zedd – Find You ft. Matthew Koma, Miriam Bryant

Hunting for gravitational waves: A national and global collaboration

การตามล่าหาคลื่นความโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในการผจญภัยที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์ยุคใหม่ นักวิทยาศาสตร์หลายพันคนทั่วโลกได้พยายามสร้างเครื่องมือขนาดใหญ่ที่มีความไวสูงสุดเพื่อ “ฟังเสียงกระซิบที่แผ่วเบา” ของคลื่นความโน้มถ่วง เพื่อพิสูจน์การมีอยู่ของพวกมัน

LIGO ได้รับการสนับสนุนทางการเงินหลักจาก มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (The U.S. National Science Foundation) นอกจากนี้ยังมี องค์กรเงินทุน Max Planck Society จากเยอรมนี สภาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสิ่งอำนวยความสะดวก (Science and Technology Facilities Council, STFC) ของอังกฤษ และสถาบันวิจัยออสเตรเลีย (Australian Research Council)

การวิจัยของ LIGO ดำเนินการโดย LIGO Scientific Collaboration (LSC) ซึ่งเป็นความร่วมมือทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา โดยเป็นความร่วมมือระหว่างมหาวิทยาลัย สถาบันฟิสิกส์ระหว่างประเทศ และกลุ่มวิจัยมากกว่า 1,000 คนจากทั่วสหรัฐอเมริกาและใน 14 ประเทศ ที่อุทิศตนร่วมมือกันพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องตรวจจับและวิเคราะห์ข้อมูลเพื่อค้นหาคลื่นโน้มถ่วง

นอกจากนี้ยังมีโครงการ Einstein @ Home ซึ่งเป็นโครงการคอมพิวเตอร์แบบกระจายที่คล้ายกับ work @ home โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ด้วยการรับข้อมูลจาก LIGO และกระจายข้อมูลให้กับอาสาสมัครหลายพันคนเพื่อนำมาการวิเคราะห์แบบคู่ขนานบนคอมพิวเตอร์ที่บ้านของพวกเขา

First direct detection of gravitational waves from a binary black hole collision

และในที่สุดเมื่อเดือนกุมภาพันธ์ 2016 นักวิทยาศาสตร์จากความร่วมมือทางวิทยาศาสตร์ LIGO ได้ประกาศ “การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงทางตรงเป็นครั้งแรกของโลก” ที่เกิดขึ้นเมื่อ 5 เดือนก่อนหน้านี้ ในวันที่ 14กันยายน 2015 เครื่อง Laser Interferometers ของ LIGO สองตัวที่ตั้งอยู่คนละซีกของอเมริกา สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมตัวของหลุมดำสองหลุมที่อยู่ห่างจากโลกประมาณ 1.3 พันล้านปีแสง ซึ่งการตรวจจับของเครื่องมือทั้งสองตัวให้ผลลัพธ์เหมือนกัน ยืนยันการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรกของโลก หลังการทำนายของไอน์สไตน์เมื่อ 100 ปีก่อน

ligo.caltech.edu

การค้นพบของ LIGO ได้รับการบันทึกในประวัติศาสตร์ในฐานะหนึ่งในความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของมนุษยชาติ และส่งผลให้นักวิทยาศาสตร์สามคนของ LIGO ซึ่งต่างก็เป็นผู้มีส่วนสำคัญในการก่อตั้งและดำเนินงานของ LIGO ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2017

The Detection of LIGO’s Gravitational Waves

LIGO เป็นหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงที่ใหญ่ที่สุดในโลกและเป็นหนึ่งในการทดลองทางฟิสิกส์ที่ซับซ้อนที่สุดในโลก LIGO ของสหรัฐทำงานร่วมกับเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในประเทศอื่นๆ ได้แก่ TAMA300 ในญี่ปุ่น GEO600 ในเยอรมนี และ Virgo ในอิตาลี โดยทำการสังเกตุการณ์ร่วมกันในระหว่างปี 2002 และ 2011 แต่ไม่พบคลื่นความโน้มถ่วง ในปี 2015 LIGO เข้ารับการอัปเกรดครั้งสำคัญกลายเป็น Advanced LIGO ซึ่งเป็นเครื่องตรวจจับขั้นสูงที่มีความไวในการตรวจจับมากขึ้น และในที่สุดมันสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งแรกของโลก

thephysicsmill.com

slideplayer.com

หอสังเกตุการณ์ไลโก “LIGO” ประกอบด้วยเครื่อง ” Laser interferometers” ขนาดใหญ่ 2 ตัวที่ใช้เวลา 50 ปีในการสร้างและพัฒนา ตั้งอยู่ที่เมือง Hanford รัฐ Washington และเมือง Livingston รัฐ Louisiana แต่ละตัวมีรูปร่างแบบตัว ‘L’ ที่มีแขนทั้งสองข้างยาวเท่ากัน 4 กิโลเมตรเชื่อมต่อกันที่สถานีมุม โดยแขนทั้งสองข้างจะเป็นท่อสูญญากาศที่มีลำแสงเลเซอร์วิ่งสะท้อนกลับไปกลับมา ระหว่างกระจกที่อยู่ปลายแขนกับสถานีตรงกลางมุมฉาก เครื่อง Laser interferometers ของ LIGO ถูกออกแบบมาให้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความยาวแขนที่เล็กกว่าขนาดของโปรตอนถึง 10,000 เท่า

การที่ LIGO ติดตั้งเครื่อง Laser Interferometers สองเครื่องในสองสถานที่ที่อยู่คนละมุมของประเทศสหรัฐ เพื่อช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มั่นใจได้ว่า สัญญาณที่เครื่องตรวจจับได้นั้นเป็นของจริง ไม่ใช่ผลลัพธ์ที่มาจากสภาพแวดล้อมของหนึ่งในสองแห่งนี้

คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการเคลื่อนตัวมาชนกันอย่างรุนแรงของหลุมดำ 2 หลุม ที่เกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อน แต่พึ่งเดินทางมาถึงโลกในวันที่ 14 กันยายน 2015 เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางผ่านเครื่อง Laser interferometers มันได้บีดอัดแขนข้างหนึ่งของเครื่องตรวจจับและยืดแขนอีกข้างหนึ่ง ดังนั้นลำแสงเลเซอร์ที่เดินทางไปตามแขนที่เหยียดออกจะใช้เวลานานกว่าเล็กน้อยในการเดินทางกลับไปที่สถานีมุม เมื่อเทียบกับลำแสงที่เคลื่อนที่ไปในแขนที่ถูกบีบอัด ซึ่งเครื่องตรวจจับทั้งที่เมือง Hanfordและเมือง Livingston สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงนี้ได้ในเวลาใกล้เคียงกันและให้ผลลัพธ์เหมือนกัน ทำให้นักวิจัยมั่นใจในการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง ไม่ผิดพลาดแน่นอน ยืนยันคำทำนายของไอน์สไตน์เมื่อ 100 ปีที่ผ่านมา

nature.com

slideplayer.com

ภาพตรงกลางแสดงสภาพปกติของเครื่องตรวจจับที่มีแขนทั้งสองข้างยาวเท่ากัน แต่เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางมาถึง ความยาวของแขนทั้งสองข้างเปลี่ยนแปลงไปในลักษณะตรงกันข้าม ดังแสดงในภาพซ้ายซึ่งแขนในแนวแกน Y ถูกยื่ดออก ในขณะที่แขนในแนวแกน X ถูกบีบอัด

Zedd – Clarity ft. Foxes

ความเครียดของคลื่นความโน้มถ่วง “gravitational wave strain” เป็นความแตกต่างระหว่างความยาวแขนทั้งสองของเครื่องตรวจจับ ซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแรงของคลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่านมา Gravitational wave strain มีขนาดเล็กมากอย่างยิ่งยวด เล็กกว่าขนาดของโปรตอนถึง 10,000 เท่า ซึ่ง Laser interferometers ของ LIGO นั้นมีความไวมาก สามารถวัดปริมาณเล็กน้อยขนาดนี้ได้

ligo.caltech.edu

Plots ข้างบน 2 อัน แสดงสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ LIGO Hanford (เส้นสีเหลือง) และ LIGO Livingston (เส้นสีฟ้า) ตรวจจับได้ ซึ่ง plots แสดงให้เห็นว่า gravitational wave strain ที่ได้จากการตรวจจับมีการเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาอย่างไร

จาก plots แสดงขนาดและความถี่ของสัญญาณคลื่นเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป และช่วงปลายๆของสัญญาณคลื่น ความถี่ (frequency) และขนาด (amplitude) ของคลื่นสูงขึ้นอย่างฉับพลันจากความถี่ 35 Hz ไปเป็น 150 Hz ภายในเวลา 0.2 วินาที และคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางมาถึง LIGO Livingston ก่อน จากนั้นใช้เวลา 0.007 วินาทีเดินทางไปถึง LIGO Hanford ซึ่งเท่ากับความเร็วแสง อันเป็นคุณสมบัติของคลื่นความโน้มถ่วง

Predicted gravitational wave pattern (คลื่นบางๆสีขาวในพล็อท 2 อันบน) ได้จากการที่นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้สมการคณิตศาสตร์ของไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไป มาสร้างแบบจำลองการเกิดคลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกปล่อยออกมาจากการรวมตัวกันของหลุมดำคู่หนึ่ง ที่ผ่านการโคจรรอบกันและกันหลายวงขณะเคลื่อนตัวเข้าใกล้กัน และรวมเข้าเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ในที่สุด

Plot ล่างสุด แสดงให้เห็นความเหมือนของสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ LIGO Hanford และ LIGO Livingston ตรวจจับได้ ที่มีความถี่และความยาวคลื่นแบบเดียวกัน และสอดคล้องกับ Predicted gravitational wave pattern ที่แสดงการมารวมตัวกันของหลุมดำ นี้คือคำอธิบายว่า ทำไมนักวิทยาศาสตร์ของ LIGO ถึงรู้ว่าคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจจับได้ครั้งนี้ มาจากปรากฎการณ์การมารวมตัวกันของหลุมดำคู่หนึ่ง

Sound of Two Black Holes Colliding

ligo.org

ภาพนี้ ภาพตรงกลางได้มาจากการใช้ข้อมูลของเครื่องตรวจจับ LIGO Hanford สร้างคลื่นความโน้มถ่วงขึ้นมาใหม่ ซึ่งแสดงการทับกันสนิทของสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงสีเทาและสีแดง ที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากการมารวมตัวกันของหลุมดำ 2 หลุม ที่สอดคล้องกับข้อมูลที่นักวิทยาศาสตร์คำนวณโดยใช้สมการในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ภาพข้างบนแสดงการตีความของสัญญาณที่สังเกตได้ ในช่วงแรกของสัญญาณคลื่น หลุมดำทั้งสองจะหมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลของพวกมันและตกลงมาเป็นเกลียว (inspiral) ขณะเคลื่อนตัวเข้าหากันด้วยอัตราเร่ง จนกระทั่งมารวมตัวกันเป็นหลุมดำ (merger) และปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วงที่มีขนาดและความถี่สูงมาก ในที่สุดการสั่นสะเทือนเหล่านี้ก็หยุดลง (ring down) และสิ่งที่เหลืออยู่ก็คือหลุมดำเดี่ยวขนาดใหญ่ สอดคล้องกับการทำนายของไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

Warped Space and Time Around Colliding Black Holes

วีดิโอนี้จัดทำโดย LIGO จำลองเหตุการณ์การเคลื่อนตัวมาชนและรวมตัวกันของหลุมดำ 2 หลุม ขอผู้อ่านดูข้างล่างของวีดิโอไปด้วย ซึ่งแสดงสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่เครื่องตรวจจับของ LIGO ตรวจจับได้ จะเห็นว่าช่วงที่หลุมดำทั้งสองวิ่งมาชนและรวมตัวกัน frequency และ amplitude ของคลื่นสูงขึ้นอย่างฉับพลัน

จากสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจจับได้ นักวิทยาศาสตร์ของ LIGO สามารถนำมาประมาณพลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง จากมวลที่หายไปหลังจากการรวมตัวกันของหลุมดำ 2 หลุมนี้

twitter.com

ก่อนการรวมตัวกันของหลุมดำทั้งสอง พวกมันมีมวล 36 และ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ (36+29 = 65) เมื่อรวมกันแล้ว มวลรวมสุดท้ายของหลุมดำนั้นมีมวลเพียงแค่ 62 เท่าของมวลดวงอาทิตย์เท่านั้นเอง นั่นเท่ากับว่ามีมวล 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ที่หายไป ซึ่งมวลที่หายไปนี้ถูกแปลงไปเป็นพลังงานที่ส่งผ่านมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วงที่เดินทางไปทั่วจักรวาล

จากการใช้สมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ E = mc²

โดยที่ E คือ พลังงานเทียบเท่ากับมวลที่หายไป (m) และ c คือความเร็วของแสง

เราสามารถประมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาเป็นคลื่นความโน้มถ่วงดังนี้

 E = mc² = 3 × (1.989 × 1030 kg)(2.99792 × 10⁸ m/sec) ≈ 5.4 × 1047 kg m²/sec = 5.4 × 1047 joules

หมายเหตุ: 1.989 × 1030 kg คือมวลดวงอาทิตย์ ส่วน 2.99792 × 10⁸ m/sec คือความเร็วแสง

พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากการรวมตัวของหลุมดำนี้ มีมากกว่า 50 เท่าของพลังงานที่ดาวฤกษ์ทุกดวงในจักรวาลปลดปล่อยออกมาในหนึ่งหน่วยเวลาเสียอีก อย่างไรก็ตาม พลังงานเหล่านี้ถูกปลดปล่อยออกมาในเวลาเพียงแค่เสี้ยววินาทีเท่านั้นเอง

Nick Jonas – Find You

• Facebook
• Twitter
• Line