สรุปข่าว นักวิทย์ LIGO ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งที่ 3 แบบพยายามให้อ่านเข้าใจง่าย

กระทู้ข่าว

ดาราศาสตร์ อวกาศ นักวิทยาศาสตร์ ข่าวออนไลน์ วิทยาศาสตร์

สรุปข่าว นักวิทย์ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งที่ 3 แบบพยายามให้อ่านเข้าใจง่าย

เมื่อวันที่ 4 มกราคมที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ที่ LIGO (The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ได้ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งที่ 3 แต่เพิ่งจะประกาศในรายงานวิชาการในนวารสาร Physical Review Letters อย่างเป็นทางการเมื่อวานนี้ เนื่องจากจำเป็นต้องตรวจสอบข้อมูลและวิเคราะห์ประมวลผลจนเป็นที่แน่ชัดแล้วว่าเป็นคลื่นความโน้มถ่วงจริง

ในการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งนี้ เป็นการตรวจพบจากการชนกันของหลุมดำจำนวน 2 อัน ที่มีมวลขนาดประมาณ 31.2 และ 19.4 เท่าของดวงอาทิตย์ และเมื่อรวมกันแล้วจะกลายเป็นหลุมดำที่มีมวลประมาณ 48.7 เท่าของดวงอาทิตย์ และครั้งนี้เกิดห่างไปถึง 3 พันล้านปีแสงเลยทีเดียว

รายละเอียดที่นี่สนใจ

คลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกตรวจพบได้ในครั้งนี้ เรียกว่า GW170104
การตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งนี้ เกิดจากหลุมดำอย่างน้อย 1 ใน 2 ที่มีการหมุน (Spin) ในระนาบที่ไม่ตรงกับระนาบการโคจร ดังนั้นเป็นไปได้อย่างยิ่งว่า หลุมดำทั้ง 2 อาจเกิดจากระบบดาวคนละระบบ (คือไม่ใช่หลุมดำที่เกิดในระบบดาวคู่) แล้วเคลื่อนที่เข้ามาชนกันในภายหลัง
ซึ่งยิ่งทำให้น่าสนใจว่า อะไรที่มีมวลมากพอที่จะทำให้ระบบดาว 2 ระบบเคลื่อนเข้ามาชนกันได้

ภาพจำลองสร้างโดยศิลปิน แสดงสภาพของหลุมดำทั้ง 2 ก่อนเคลื่อนที่เข้าชนกัน จะเห็นว่าระนาบการหมุนของหลุมดำทั้ง 2 ต่างกัน

ภาพจำลองลักษณะของคลื่นความโน้มถ่วง

ความสำคัญในการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งนี้

1.    ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ยังคงถูกต้องและใช้การได้อยู่
2.    ไอน์สไตน์เคยเชื่อว่าเราคงไม่สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงนี้ได้ เพราะมันตรวจจับยากมาก ๆ แต่ครั้งนี้พิสูจน์ว่าไอน์สไตน์คิดผิด เพราะเราสามารถพัฒนาเทคโนโลยีจนสามารถตรวจพบสิ่งที่ไอสไตน์ทำนายไว้ได้แล้ว
3.    เราสามารถมองลึกเข้าไปในห้วงอวกาศได้ไกลขึ้นกว่าเดิม จาการสังเกตหลุมดำเหล่านี้ และด้วยระยะห่างถึง 3 พันล้านปีแสง แสดงว่าการชนกันนี้เกิดมาตั้งแต่เมื่อ 3 พันล้านปีก่อน ซึ่งเกิดก่อนการเกิดสิ่งมีชีวิตแรกขึ้นบนโลกเสียด้วยซ้ำ และเมื่อพัฒนาต่อไป เราอาจสามารถมองย้อนอดีตเข้าไปไกล้ช่วงเวลาที่ Big Bang ที่ก่อนให้เกิดจักรวาลนี้ได้มากยิ่งขึ้น
4.    นี่เป็นข้อมูลอันมีค่า ที่จะทำให้เราเข้าใจว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไรได้มากยิ่งขึ้น
5.    เราเข้าใกล้ทฤษฎีรวมแรงพื้นฐานของจักรวาลทั้ง 4 เข้าด้วยกันได้มากยิ่งขึ้น ซึ่งทฤษฎีนี้นักวิทย์ต่างเรียกว่า ทฤษฎีของทุกสรรพสิ่ง
6.    อาจนำไปสู่การค้นพบว่าแรงโน้มถ่วงที่แรงน้อยที่สุด แต่เหตุใดจึงสามารถส่งไปได้ไกลมากที่สุด และอาจได้พบว่าแรงโน้มถ่วงจำเป็นที่จะต้องมีตัวกลาง(กราวิตรอน) ในการเคลื่อนที่หรือส่งแรงโน้มถ่วงด้วยหรือไม่

เกร็ดความรู้เสริม

1.    วัตถุทุกชนิดที่มีมวลย่อมมีแรงโน้มถ่วง เมื่อวัตถุมีมวลมาก เช่น ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ หรือหลุมดำ ก็จะมีแรงโน้มถ่วงสูงมากจนสามารถบิด กาลอวกาศ (SpaceTime) โดยรอบให้โค้งได้
2.    เมื่อมวลของวัตถุเคลื่อนที่ไป มันก็จะแหวก กาลอวกาศ ตามไปด้วยในลักษณะเหมือนคลื่นน้ำ
3.    คลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง ดังนั้นหากดวงอาทิตย์จู่ ๆ ก็หายไป เราต้องใช้เวลาถึง 8 นาทีถึงจะรู้ว่าดวงอาทิตย์ได้หายไปแล้ว เพราะดวงอาทิตย์อยู่ห่างไปประมาณ 8 นาทีแสง
4.    ปกติแล้วคลื่นความโน้มถ่วงนั้นอ่อนแรงและตรวจจับได้ยากมาก ๆ ดังนั้นในปัจจุบัน เราจึงสามารถตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงได้เฉพาะจากการชนกันของมวลวระดับหลุมดำ

ภาพจำลองที่สร้างขึ้นโดยคอมพิวเตอร์ แสดงถึงการเกิดคลื่นความโน้มถ่วง

หลักการทำงานของเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยแสงเลซอร์ LIGO
(The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)

ภาพถ่ายเครื่อง LIGO (ถ่ายจากสถานที่จริง)

อย่างที่บอกไว้ในข้างต้นว่า แรงโน้มถ่วงสามารถบิดโค้งกาลอวกาศได้ดังนั้นเราจึงได้พัฒนาเครื่องมือที่ทำให้สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้ โดยใช้แสงเลเซอร์

โดยนักวิทยาศาสตร์ได้สร้างท่อสุญญากาศขนาดใหญ่ 2 ท่อ ตั้งฉากกัน และมีความยาวข้างละ 4 กิโลเมตร
จากนั้นก็ใช้แสงเลเซอร์ยิงไปยังกระจกแยกแสง ทำให้ลำเลเซอร์แยกเป็น 2 ลำในทิศทางต่างกัน 90 องศา และที่สุดปลายท่อก็จะมีกระจกสะท้อนแสงกลับมาและรวมแสงทั้ง 2 ลำกลับเป็นลำเดียวอีกครั้ง ซึ่งเมื่อเกิดคลื่นความโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงจะบิดกาลอวกาศให้โค้ง ทำให้แขนทั้ง 2 ข้างเของเครื่อง LIGO มีความยาวที่ต่างกันเล็กน้อย(น้อยมาก แค่ไม่กี่นาโนเมตร) เมื่อลำแสงทั้ง 2 ลำมารวมกันอีกครั้งเราจะสามารถสังเกตได้ว่าคลื่นแสงเหลื่อมกันออกไป ไม่ได้รวมกันได้พอดี

ภาพหลักการทำงานของ LIGO ***สเกลไม่ถูกต้องตามความเป็นจริง***

ภาพเคลื่อนไหวแสดงการทำงานของเครื่อง LIGO
***ไฟล์ภาพมีขนาดใหญ่ ไม่เหมาะกับการเปิดดูในโทรศัพท์มือถือ***
http://i.imgur.com/0VhrXPV.gifv

ความยากของการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง

     คือปกติโลกเราก็โดนคลื่นความโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และกาแลกซี่ทางช้างเผือกเป็นปกติอยู่แล้ว เพียงแต่ว่าคลื่นความโน้มถ่วงเหล่านี้ มันอ่อนแรงมากจนเราไม่สามารถตรวจวัดได้ เราจึงต้องอาศัยตรวจจับจากการชนกันของมวลขนาดใหญ่อย่างหลุมดำแทน เพราะด้วยมวลขนาดนั้นย่อมก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงแรงมากพอที่จะตรวจวัดได้
     แต่ถึงแม้การชนกันของหลุมดำจะสร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่มีความแรงมาก แต่มันก็ยังแรงไม่มากพอที่จะสามารถตรวจจับได้จากเครื่องมือปกติ ดังนั้นถึงแม้ไอน์สไตน์ทำนายเรื่องคลื่นความโน้มถ่วงนี้ไว้เมื่อร่รมาแล้ว เต่เราก็เพิ่งจะพัฒนาเทคโนโลยีจนสามารถสร้างเครื่อง LIGO นี้ได้สำเร็จ
ความยากในการสร้าง คือ
1.    ต้องสร้างเครื่องนี้ในเขตพื้นที่ที่มีการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาเช่นแผ่นดินไหวต่ำ เพราะอาจรบกวนการทำงานได้
2.    ค้องสร้างเครื่องนี้ห่างไกลจากผู้คน เพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นสะเทือนอันเกิดจากการทำงานของเครื่องจักรของมนุษย์
3.    ต้องพัฒนาเทคโนโลยีด้านวิศวกรรม เพื่อสร้างอุโมงค์สูญากาศที่มีความยาวถึง 4 กม.
4.    ต้องพัฒนาเครื่องยิงเลเซอร์กำลังแรงสูง
5.    ต้องพัฒนานาฬิกาที่แม่นยำถึงระดับนาโนวินาที
6.    อาศัยโชค และ การรอคอยอย่างอดทน เพราะเราไม่มีทางรู้ได้ว่าเมื่อไหร่จะมีหลุมดำชนกันเกิดขึ้นบ้าง และการชนกันนั้นจะมีความแรงมากพอที่จะเราจะสามารถตรวจวัดได้หรือไม่

อ้างอิง
http://www.ligo.org/detections/GW170104.php
http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/ligo-detects-third-black-hole-merger-0106201723/
http://www.bbc.com/news/science-environment-40120680

สื่อเพิ่มเติม
ขออนุญาตใส่ในกรอบ spoil เนื่องจากอาจทำให้โหลดนาน และเปิดอ่านไม่ได้ในกรณีที่ใช้เครื่องที่มีหน่วยความจำไม่สูงมากนัก

[Spoil] คลิกเพื่อดูข้อความที่ซ่อนไว้

ปล. หากข้อมูลที่นำเสนอมีความบกพร่อง คลาดเคลื่อน หรือไม่ถูกต้องประการใด โปรดทักท้วงได้เต็มที่
เพื่อแก้ไขให้ถูกต้องเหมาะสม เพื่อเป็นประโยชน์แก่ผู้อ่านทุกท่าน
หากสรุปข่าวนี้ มีข้อผิดพลาดประการใด ขอกราบขออภัยมา ณ ที่นี้

ปล. 2 หากผู้อ่านมีข้อสงสัยประการใดสามารถสอบถามหรือแสดงความเห็นทิ้งเอาไว้ได้เลย ผมจะพยายามมาตอบคำถามให้ในภายหลัง
หรือหากสมาชิกท่านอื่นจะเสียสละเวลาในการช่วยให้คำตอบร่วมด้วย ก็ยินดีเป็นอย่างยิ่งเช่นกันครับ

แก้ไขข้อความเมื่อ