มาเรียนรู้เรื่องคลื่นความโน้มถ่วงกันเถอะ

ระลอกคลื่นเหล่านี้ในกาลอวกาศให้เบาะแสเกี่ยวกับวัตถุและปรากฏการณ์ที่รุนแรง เช่น การชนกันของหลุมดำ

แม้จะดูมั่นคง แต่จริงๆ แล้วพื้นที่นั้นค่อนข้างยืดเยื้อ วัตถุทั้งหมดในจักรวาลโค้งงอโครงสร้างของอวกาศและเวลาหรือกาลอวกาศ วัตถุขนาดใหญ่จะบิดเบี้ยวอย่างรุนแรงมากขึ้น การบิดเบือนดังกล่าวถือเป็นแรงโน้มถ่วง วัตถุยังสามารถทำให้เกิดระลอกคลื่นในกาลอวกาศได้ในขณะที่มันเคลื่อนที่ผ่านวัตถุนั้นด้วยวัตถุที่หนักกว่าทำให้เกิดระลอกคลื่นที่ใหญ่ขึ้น คลื่นดังกล่าวเรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วง Albert Einstein ทำนายการมีอยู่ของคลื่นเหล่านี้เมื่อประมาณหนึ่งศตวรรษก่อน แต่คลื่นแรงโน้มถ่วงถูกพบเป็นครั้งแรกเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทำไม เพราะคลื่นแรงโน้มถ่วงจะจางหายไปเมื่อแผ่ออกไป เหมือนระลอกคลื่นในสระน้ำ ดังนั้น เมื่อคลื่นจากวัตถุท้องฟ้าที่อยู่ห่างไกลซัดเข้าหาโลก พวกมันก็เล็กมาก เหมือนความกว้างเพียงหนึ่งในพันของโปรตอน! เฉพาะวัตถุที่รุนแรงที่สุดในจักรวาลเท่านั้นที่สร้างคลื่นขนาดใหญ่พอที่เครื่องมือบนโลกจะหยิบขึ้นมาได้

นักฟิสิกส์ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรกในปี 2558 หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงขั้นสูงของเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์หรือ LIGO ได้ค้นพบ คลื่นเหล่านี้มาจากหลุมดำสองแห่งที่อยู่ห่างไกลซึ่งชนกัน การค้นพบนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามคนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2560

ตั้งแต่นั้นมา ได้มีการตรวจพบเหตุการณ์คลื่นแรงโน้มถ่วงหลายสิบครั้ง LIGO พบพวกเขาพร้อมกับหอดูดาว Advanced Virgo ในอิตาลี เหตุการณ์เหล่านี้รวมถึงการชนกันครั้งแรกของดาวนิวตรอนสองดวง

ในอนาคต นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะพบคลื่นแรงโน้มถ่วงที่เกิดจากวัตถุและเหตุการณ์ที่ทรงพลังอื่นๆ การระเบิดของดาวเช่น หรือหมุนดาวนิวตรอน หรืออุโมงค์สมมุติในกาลอวกาศที่เรียกว่ารูหนอน การแผ่รังสีตั้งแต่กำเนิดเอกภพอาจมีรอยคลื่นแรงโน้มถ่วงที่เกิดจากบิกแบง

คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร?

พลังงานจากเหตุการณ์ใหญ่โตในอวกาศทำให้เกิดคลื่นเล็กๆ ที่สามารถกระเพื่อมผ่านโลกได้

คลื่นความโน้มถ่วงเป็นระลอกคลื่นในโครงสร้างของอวกาศ โยนหินลงไปในบ่อน้ำแล้วมันจะสร้างคลื่น – คลื่นในน้ำ – ที่ดูเหมือนจะยืดออกและบีบกลับอีกครั้ง ในทำนองเดียวกัน มวลที่เร่งขึ้นควรส่งคลื่นแรงโน้มถ่วงไปในอวกาศ ระลอกคลื่นเหล่านี้จะทำให้พื้นที่ยืดออกและบีบกลับมาอีกครั้ง

เมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2559 หลังจากพยายามตรวจจับคลื่นดังกล่าวโดยตรงเป็นเวลาหลายสิบปี นักวิทยาศาสตร์ได้ประกาศว่าพวกเขาได้พบคลื่นดังกล่าวแล้ว คลื่นมาจากกาแล็กซี่อื่นที่อยู่ห่างไกลออกไป ไกลแค่ไหน? ลองห่างออกไประหว่าง 750 ล้านถึง 1.86 พันล้านปีแสง! ที่นั่นมีหลุมดำสองหลุมชนกัน เขย่าโครงสร้างของอวกาศและเวลา หรือกาลอวกาศ บนโลกนี้ เครื่องตรวจจับขนาดยักษ์สองเครื่องในส่วนต่าง ๆ ของสหรัฐอเมริกาสั่นไหวเมื่อคลื่นแรงโน้มถ่วงพัดผ่าน

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ทำนายว่าระลอกคลื่นในกาลอวกาศควรแผ่พลังงานออกจากเหตุการณ์รุนแรงอย่างมหาศาล เช่น ดาวที่ชนกัน เหตุการณ์ดังกล่าวมีพลัง ถึงกระนั้นระลอกคลื่นที่พวกมันกระตุ้นนั้นบอบบาง เมื่อมาถึงโลก อวกาศบางส่วนบีบอัดกาลอวกาศได้น้อยเท่ากับความกว้างของโปรตอน (โปรตอนเป็นหนึ่งในอนุภาคที่ประกอบเป็นอะตอม)

คลื่นที่ค้นพบใหม่นี้ถูกหยิบขึ้นมาโดยหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงของ Laser Interferometer ที่เพิ่งอัพเกรด ตอนนี้เรียกว่า “ขั้นสูง” LIGO เพื่อตรวจจับสัญญาณ LIGO ใช้กระจกพิเศษเพื่อแยกลำแสงเลเซอร์ออก กระจกจะส่งลำแสงแต่ละอันลงไปที่ท่อยาว 4 กิโลเมตรหนึ่งในสองท่อ ท่อเหล่านี้นั่งทำมุม 90 องศาซึ่งกันและกัน แสงสะท้อนกลับมา 400 ครั้งในแต่ละอุโมงค์ในเครื่องตรวจจับ ซึ่งจะทำให้การเดินทางของลำแสงแต่ละลำเป็นระยะทางไปกลับ 1,600 กิโลเมตร (990 ไมล์) จากนั้นแสงจะรวมตัวกันใกล้แหล่งกำเนิดแสงอีกครั้ง

การทดลองได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ภายใต้สภาวะปกติ คลื่นแสงจะหักล้างซึ่งกันและกันเมื่อรวมตัวกันอีกครั้ง เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น จะไม่มีสัญญาณเคลื่อนไปยังเครื่องตรวจจับที่อยู่ใกล้เคียง

แต่คลื่นแรงโน้มถ่วงจะยืดหลอดหนึ่งในขณะที่บีบอีกหลอดหนึ่ง ซึ่งจะเปลี่ยนระยะทางที่ลำแสงทั้งสองเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน อย่าพลาด: ความแตกต่างนั้นเล็กน้อย แต่พอเมื่อลำแสงรวมกันใหม่ คลื่นของพวกมันจะไม่เรียงตัวกันอย่างสมบูรณ์อีกต่อไป เนื่องจากพวกมันไม่ตัดกันอีกต่อไป เครื่องตรวจจับจึงจะมีแสงจางๆ นี่เป็นสัญญาณของคลื่นแรงโน้มถ่วงที่ผ่าน

เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณจะไม่ถูกกระตุ้นโดยปรากฏการณ์ในท้องถิ่น (และเพื่อช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุแหล่งที่มาได้) LIGO มีเครื่องตรวจจับสองตัว แห่งหนึ่งอยู่ในหลุยเซียน่าและอีกแห่งหนึ่งอยู่ในรัฐวอชิงตัน สัญญาณใดๆ ที่ปรากฏที่ตัวตรวจจับเพียงตัวเดียว – หมายความว่าเป็นสัญญาณในท้องที่ – จะถูกละเว้น

นักวิทยาศาสตร์พบคลื่นแรงโน้มถ่วงจากการชนกันของหลุมดำสองหลุม แต่นั่นไม่ใช่แหล่งเดียวที่พวกเขาคิดว่าจะสามารถตรวจจับได้ ด้วยการทำงานกับการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์หรือที่เรียกว่าแบบจำลองคอมพิวเตอร์ นักวิทยาศาสตร์สามารถทราบได้ว่าสัญญาณประเภทใดที่คาดหวังจากแหล่งอื่น

ดาวนิวตรอนคือแกนกลางที่หลงเหลือไว้หลังจากดาวมวลสูงระเบิด ดาวนิวตรอนที่กำลังหมุนอยู่ควรเหวี่ยงกาลอวกาศขึ้นด้วยความถี่ที่ใกล้เคียงกับที่เกิดขึ้นจากการชนกันของหลุมดำ

การระเบิดอันทรงพลังที่เรียกว่าซุปเปอร์โนวาเกิดขึ้นเมื่อดาวมวลสูงตาย พวกเขาสามารถเขย่าพื้นที่และระเบิดจักรวาลด้วยคลื่นแรงโน้มถ่วงความถี่สูงระเบิด

หลุมดำขนาดมหึมาคู่หนึ่ง ซึ่งแต่ละหลุมมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 1 ล้านเท่า และใหญ่กว่าหลุมดำที่ Advanced LIGO ตรวจพบ แผ่คลื่นยาวเป็นลูกคลื่น LIGO ขั้นสูงไม่สามารถตรวจจับคลื่นที่ความถี่นี้ได้ แต่นักวิทยาศาสตร์อาจมองเห็นได้โดยมองหารูปแบบที่ละเอียดอ่อนในจังหวะพัลซาร์ที่สม่ำเสมอ พัลซาร์กำลังหมุน ดาวนิวตรอนหนาแน่นมาก

บิ๊กแบงอาจก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงขนาดเท่าจักรวาลเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน คลื่นเหล่านี้จะทิ้งรอยประทับไว้บนแสงแรกที่ปล่อยสู่จักรวาล 380,000 ปีต่อมา ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาคลื่นเหล่านี้ในพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาล นั่นคือรังสีที่ทิ้งไว้เบื้องหลังบิ๊กแบง

 

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ lancer-club.net