ค้นพบครั้งใหญ่...นักวิทย์เจอหลักฐาน “คลื่นความโน้มถ่วง” ครั้งแรก

ค้นพบครั้งใหญ่...นักวิทย์เจอหลักฐาน “คลื่นความโน้มถ่วง” ครั้งแรก
ที่มา http://manager.co.th/Science/ViewNews.aspx?NewsID=9590000015476 12 กุมภาพันธ์ 2559

wave1

(ซ้าย) ไรเนอร์ ไวส์ (Rainer Weiss) และ (ขวา) คิป โธรน (Kip Thorne) ผู้ร่วมก่อตั้งลิโกระหว่างการแถลงข่าวค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง (SAUL LOEB / AFP )

ข่าวใหญ่สำหรับวงการฟิสิกส์และดาราศาสตร์ เมื่อนักวิทยาศาสตร์เผยว่าได้เห็นหลักฐานแรกของ “คลื่นความโน้มถ่วง” ซึ่งเป็นการกระเพื่อมของโครงข่าย “กาล-อวกาศ” ที่ “อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์” ได้ทำนายไว้เมื่อศตวรรษก่อน

หลายสำนักข่าวรายงานถึงการค้นพบของ “คลื่นความโน้มถ่วง” (gravitational waves) เช่นเดียวกับเอเอฟพีซึ่งระบุว่า ปรากฏการณ์ดังกล่าวถูกสังเกตโดยเครื่องตรวจวัดใต้ดินในสหรัฐฯ 2 เครื่อง ซึ่งออกแบบมาเพื่อตรวจจับการสั่นไหวน้อยๆ จากคลื่นโน้มถ่วงที่ผ่านเข้ามา ภายใต้โครงการไลโก (LIGO) หรือโครงการหอสังเกตการณ์คลื่นโน้มถ่วงแทรกสอดแสงเลเซอร์ (LASER Interferometer Gravitational-wave Observatory)

ทีมวิจัยประกาศว่า 2 หลุมดำที่รวมตัวกันเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อนนั้น ทำให้มวลมหาศาล 2 ก้อน ส่งการกระเพื่อมออกมาผ่านอวกาศและมาถึงโลกเมื่อวันที่ 14 ก.ย.2015 ซึ่งเป็นเวลาที่เครื่องมือวิทยาศาสตร์อันซับซ้อนได้ตรวจวัดคลื่นดังกล่าว

“จนถึงตอนนี้เราหูหนวกต่อคลื่นโน้มถ่วงมาตลอด แต่วันนี้เราได้ยินเสียงของคลื่นเหล่านั้นแล้ว” เดวิด ไรท์เซ (David Reitze) ผู้อำนวยการบริหารของหอสังเกตการณ์ไลโก กล่าวระหว่างการแถลงข่าว

ไรท์เซและคณะเปรียบเทียบความยิ่งใหญ่ของการค้นพบนี้กับการใช้กล้องโทรทรรศน์ของกาลิเลโอเมื่อ 4 ศตวรรษก่อน เพื่อเปิดยุคสมัยของดาราศาสตร์ยุคใหม่

“ผมว่าเราได้ทำบางอย่างที่มีความสำคัญเทียบเท่าในวันนี้ ผมเชื่อว่าเรากำลังเปิดหน้าต่างสู่เอกภพ” ไรท์เซระบุ

หลังจากเครื่องมือวิทยาศาสตร์ตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงได้แล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังต้องใช้เวลาอีกหลายเดือนเพื่อตรวจสอบข้อมูล และส่งเข้ากระบวนการตรวจสอบของผู้ทรงคุณวุฒิ ก่อนที่จะประกาศการค้นพบดังกล่าวเมื่อวันที่ 11 ก.พ.2016

การค้นพบดังกล่าวเป็นการบรรลุจุดสุดยอดในความพยายามหลายสิบปีของทีมนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกร่วม 1,000 คนจาก 16 ประเทศ อ้างตามข้อมูลจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ (National Science Foundation) ซึ่งให้ทุนสนับสนุนงานวิจัยครั้งนี้

คลื่นความโน้มถ่วงเป็นการวัดความตึงในอวกาศ ซึ่งเป็นผลจากการเคลื่อนที่ของมวลขนาดใหญ่ที่ยืดโครงข่ายกาล-อวกาศ ซึ่งเป็นวิธีการมองเวลาและพื้นที่ให้เป็นภาวะต่อเนื่องที่ถูกถักทอให้เป็นหนึ่งเดียว คลื่นดังกล่าวเดินทางด้วยความเร็วเท่าแสงและไม่อะไรจะหยุดหรือกั้นคลื่นดังกล่าวได้

ด้านไอนสไตน์ผู้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (general relativity) กล่าวว่า กาล-อวกาศสามารถเปรียบได้กับตาข่ายที่โค้งงออยู่ใต้น้ำหนักของวัตถุ เมื่อวัตถุที่มีความเร่งเชิงมวล เช่น 2 หลุมดำที่หมุนรอบกันและกัน ได้ส่งคลื่นความโน้มถ่วงออกมารอบๆ ด้วยความเร็วเท่าแสง เหมือนการกระเพื่อมจากก้อนกรวดที่ถูกโยนลงน้ำ

คลื่นโน้มถ่วงรุนแรงที่สุดเกิดจากกระบวนการเปลี่ยนแปลงรุนแรงอย่างฉับพลันที่สุดเท่าที่มนุษย์รู้จัก อย่างการรวมตัวของหลุมดำ การระเบิดของดาวฤกษ์ขนาดมหึมา หรือกำเนิดเอกภพเมื่อ 1.38 หมื่นล้านปีก่อน

อย่างไรก็ดี แม้นักวิทยาศาสตร์จะคำนวณคลื่นความโน้มถ่วงได้ก่อนหน้านี้ แต่ยังไม่เคยมีใครวัดคลื่นดังกล่าวได้โดยตรงมาก่อน

อ้างตามเดวิด ชูเมคเกอร์ (David Shoemaker) หัวหน้าทีมการประยุกต์ไลโกจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเสตส์ (MIT) เอเอฟพีระบุว่าเหมือนนักวิทยาศาสตร์คิดเองว่าน่าจะวัดได้ ซึ่งรูปคลื่นที่พวกเขาคำนวณได้โดยอาศัยทฤษฎีเมื่อปี 1916 ของไอน์สไตน์ สอดคล้องพอดีกับสิ่งสังเกตได้เมื่อปี 2015

“สิ่งที่วัดได้ฟังเหมือนเสียงจอแจ ซึ่งเริ่มต้นที่ความถี่ต่ำ สำหรับเราความถี่ต่ำหมายถึง 20 หรือ 30 เฮิร์ตซ์ คล้ายโน้ตเสียงต่ำสุดของกีตาร์ทุ้ม แล้วภายในเสี้ยววินาทีก็เพิ่มความถี่ขึ้นไปเป็น 150 เฮิร์ตซ์หรือมากกว่า ซึ่งใกล้เสียง C กลางของเปียโน”

ชูเมคเกอร์อธิบายต่อว่า เสียงจอแจนั้นสัมพันธ์กับการโคจรของ 2 หลุมดำที่เล็กลงๆ เรื่อยๆ แต่ความเร็วของวัตถุทั้งสองนั้นเร็วขึ้นๆ เรื่อยๆ จนกระทั่ง 2 วัตถุกลายเป็นวัตถุเดียว และที่ปลายสุดท้ายของรูปคลื่น พวกเขาเห็นการกระเพื่อมของหลุมดำระยะสุดท้ายราวกับว่าหลุมดำนั้นทำขึ้นจากเยลลี่ ก่อนจะเข้าสู่สถานะคงที่

สำหรับเครื่องตรวจวัดไลโกรูปตัว L ทั้ง 2 เครื่องที่มีความยาวแต่ละเครื่องประมาณ 4 กิโลเมตรนั้น ถูกคิดและสร้างขึ้นโดยนักวิจัยจากเอ็มไอทีและคาลเทค (Caltech) เครื่งหนึ่งตั้งอยู่ที่แฮนฟอร์ด วอชิงตัน อีกเครื่องตั้งอยู่ที่ลิฟวิงสตัน หลุยเซียนา

นอกจากนี้ยังมีเครื่องตรวจวัดคล้ายกันรุ่นปรับปรุงชื่อ “เวอร์โก” (VIRGO) ซึ่งมีกำหนดเปิดใช้งานที่อิตาลีปลายปีนี้ อีกทั้งญี่ปุ่นและอินเดียก็มีแผนเปิดเครื่องวัดประเภทเดียวกันนี้ในปีถัดๆ ไป

ด้าน ทัค สเตบบินส์ (Tuck Stebbins) หัวหน้าห้องปฏิบัติการดาราศาสตร์ฟิสิกส์โน้มถ่วง จากศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ด (Goddard Spaceflight Center) ขององคืการบริหารการบินอวกาศสหรัฐฯ (นาซา) อธิบายว่าเครื่องตรวจวัดไลโกนั้นเป็นหนึ่งในเครื่องจักรซับซ้อนที่สุดที่สร้างโดยมนุษย์

สำหรับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกตรวจวัดเมื่อเวลา 23.41 น.ของวันที่ 14 ก.ย.ปีที่ผ่านมาตามเวลาประเทศไทยนั้นเป็นคลื่นที่เกิดขึ้นก่อนการรวมตัวของหลุมดำเพียงเสี้ยววินาที โดยตำแหน่งของหลุมดำนั้นอยู่ทางซีกฟ้าใต้ แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถระบุตำแหน่งที่แน่ชัด

จากการวิเคราะห์ของทีมนักวิจัยจากเอ็มไอทีและคาลเทค พบว่าหลุมทั้งสองรวมตัวกันเมื่อประมาณ 1.3 พันล้านปีก่อน โดยมีมวลรวมกันมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรา 29-36 เท่า

คลื่นโน้มถ่วงมาถึงเครื่องตรวจวัดที่หลุยเซียนาก่อน หลังจากนั้น 7.1 มิลลิวินาทีจึงไปถึงเครื่องตรวจวัดที่วอชิงตัน ซึ่งทั้งสองเครื่องอยู่ห่างกันประมาณ 3,000 กิโลเมตร และเพราะทั้งสองเครื่องตรวจวัดอ่านค่าได้เหมือนกัน ทีมนักวิทยาศาสตร์จึงมั่นใจว่าการค้นพบของพวกเขาได้รับการยืนยัน

นอกจากนี้ยังมีการพิสูจน์คลื่นความโน้มถ่วงทางอ้อมจากการค้นพบเมื่อปี 1973 ผ่านการศึกษา พัลซาร์และดาวนิวตรอน ซึ่งการศึกษาดังกล่าวส่งผลให้ รัสเซล ฮัลส์ (Russell Hulse) และโจเซฟ เทย์ลอร์ (Joseph Taylor) ผู้ศึกษาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อปี 1993