สวัสดีครับ   วันนี้ผมขอเสนอเรื่องราวของฟิสิกส์ดาราศาสตร์ เรื่อง คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational waves)
ซึ่งเรื่องนี้  กำลังเป็นข่าวตั้งแต่เมื่อวานนี้เอง  คือมีนักวิจัย 3 ท่านได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2017 ไปครับ


เริ่มกันเลย ....

คลื่นความโน้มถ่วง คืออะไร ?
ก่อนอื่น  ผมขออธิบายเรื่องของ Space time ก่อนครับ  ตามแนวคิดของไอน์สไตน์เมื่อปี 1915  ได้เสนอว่า  
วัตถุที่มีมวลมาก  จะทำให้เกิดความโค้งของ Space fabric  ก็คือ ผืนผ้าอวกาศจะเกิดความโค้งลงไปตาม ก้อน มวลนั้นครับ  
ลองมาดูภาพล่างนี้  จะเห็นว่ามวลก้อนเหลืองซึ่งมีมวลมากที่สุด  จะทำให้ space time หรือ กาล-อวกาศ ยืดออกยุบตัวลงไป
ห่อก้อนมวลนั้นครับ  ส่วนก้อนมวลที่มีมวลน้อยลง  space time ก็จะไม่ยืดออกมากนักครับ


ทีนี้ .... หากก้อนมวล 2 ก้อน  มาโคจรรอบกันล่ะ ?   การโคจรรอบกันของก้อนมวล 2 ก้อน
จะทำให้เกิดปรากฏการณ์หนึ่ง  ซึ่งไอน์สไตน์ได้คาดการณ์ใว้เมื่อปี 1916 แล้วครับ  สิ่งนั้นเรียกว่า
Gravitational waves นั่นเอง  ขอเรียกย่อว่า GW ครับ  GW นี้ คือ การกระเพื่อม (Ripple) ของ
space time ที่เกิดจากการโคจรรอบกันของวัตถุมวลมาก 2 ก้อน  อาจเป็นหลุมดำ หรือ ดาวนิวตรอน ครับ

นี่คือคลิปแสดงถึงการเกิด ripple ของ space time



ภาพของ ripple


ซึ่ง .... การเกิด Ripple ของ space time นี้  จะทำให้การ ยืด หด ของ space time แผ่ออกไปจากจุดนั้น
และเมื่อ ripple เดินทางมาถึงโลก โลกก็จะได้รับสภาพที่เหมือนกับว่ามีแรงโน้มถ่วงมากระทำเป็นระรอก นั่นเองครับ
ที่เปรียบเช่นนี้  เพราะ space time ที่ไม่คงที่  ก็คือ แรงโน้มถ่วง ที่เกิดขึ้น ณ จุดนั้น



คลื่นความโน้มถ่วง  สำคัญอย่างไร ?
คลื่นความโน้มถ่วง  มิใช่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือ แสงในย่านใด ๆ ที่เราเคยรู้จักครับ
การตรวจจับ GW นี้  จะมีประโยชน์ในทางดาราศาสตร์ในประเด็นที่ว่า  GW นี้จะมี ข้อมูลบางอย่างที่มากับมันด้วย  
ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถศึกษาเอกภพได้มากขึ้นครับ  การกำเนิดของ GW นั้น  หากกำเนิดมาจากหลุมดำ
โคจรรอบกัน และ หลอมรวมกัน (Collide)  นั่นก็หมายความว่า เหตุการณ์นั้น หลุมดำจะไม่แพร่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใด ๆ
ออกมาใน Event นั้น  หรือ แพร่ออกมาน้อยมาก  แต่ .... การ collide นี้กลับสร้าง GW ออกมาอย่างมหาศาล
ทำให้กล่าวได้ว่า  ใน event นั้น  หลุมดำทั้งสองที่ collide กัน กลับ Shine brightly ออกมา
ในรูปของ GW ครับ .... และที่สำคัญที่สุดคือ  GW จะแพร่ออกมาผ่านอวกาศไกลแสนไกลมาได้โดยไม่ถูก ขัดขวาง  
รบกวน  หรือทำให้ผิดเพี้ยนจาก matter ใด ๆ ในอวกาศเลยครับ  ต่างจากการที่เราสำรวจเอกภพด้วยการรับแสง
หรือ คลื่นวิทยุ  ซึ่งจะถูกรบกวนได้มากจาก matter ใด ๆ ระหว่างทาง  เช่น  รังสี COSMIC .....  กล่าวโดยสรุป คือ  
GW สามารถแพร่ออกมาพร้อมกับนำ data จากวัตถุที่ไกลแสนไกลมาหาเราได้  โดยแน่ใจได้ว่าไม่มีการผิดเพี้ยนเลยครับ

คลื่นความโน้มถ่วง  ตรวจจับได้อย่างไร ?
ในการตรวจจับ GW นี้  ก็จะต้องเอ่ยชื่อของโครงการฟิสิกส์ที่เป็นพระเอกของเรื่องนี้ก่อนครับ
นั่นคือ LIGO และ Virgo  ทั้งสองโครงการนี้มีลักษณะที่เหมือนกัน คือ  ตรวจจับ GW ด้วยเครื่องมือ
ที่เรียกว่า Laser Interferometer ครับ  โดย LIGO เป็นสถานีตรวจจับ GW ของอเมริกา   เริ่มดำเนินงาน
มาตั้งแต่ปี 2002 แล้วครับ  ส่วน Virgo นั้นเป็นสถานีตรวจจับ GW ของฝั่งยุโรป  เริ่มดำเนินงาน
มาตั้งแต่ปี 2007 ครับ  ปัจจุบันนี้ทั้งสองแห่งทำงานร่วมกัน  แชร์ข้อมูลกันตลอดครับ

ภาพ Location ของสถานี LIGO และ Virgo



การตรวจจับ GW  จะใช้เครื่องมือที่เรียกว่า Laser Interferometer ครับ  หลักการทำงานของ
Laser Interferometer นี้  จะอาศัยหลักการที่ว่า  เมื่อมี GW เดินทางมาถึงโลกแล้ว  ห้วงคลื่น
ที่พาดผ่านโลกของ GW นี้  จะทำให้ ระยะทาง ของท่ออุปกรณ์ ยืด และ หด  ทำให้ความต่าง Phase
ของแสง LASER นี้ปรากฏขึ้นครับ  ความเทพของอุปกรณ์ชุดนี้ คือ  สามารถตรวจจับการยืด หด
ของระยะท่อ LASER นี้ได้  ในระดับ 1 ใน 10,000 ของขนาด Proton !!!  นั่นก็คือระยะ ยืด หด
เพียง 10^-19 เมตร

ภาพนี้  แสดงถึงการทำงานของ Laser Interferometer


คลิปการทำงานของ Laser Interferometer  
ดูแล้วจะเข้าใจได้มากขึ้นครับ  ------->  http://navy007.net/GW.htm


ภาพถ่ายทางอากาศของสถานี Virgo จะเห็นท่อสูญญากาศที่เป็นทางเดินของ LASER
ยาวเหยียด  ซึ่งจะยาวมากถึง 4 กิโลเมตร ครับ


การตรวจพบ GW ที่ผ่านมา มี 4 ครั้งครับ  ทั้ง 4 ครั้งเป็นหลุมดำที่โคจรรอบกัน และ ยุบรวมกัน
มีการบันทึกเป็นรหัสขึ้นต้นด้วย GW  ดังนี้

GW150914  ตรวจพบเมื่อ 14 กันยายน 2015  เป็นหลุมดำมวล 35 และ 30 เท่าของดวงอาทิตย์
เกิดที่ระยะ 1,300 ล้าน ปีแสง จากโลก
GW151226  ตรวจพบเมื่อ 26 ธันวาคม 2015  เป็นหลุมดำมวล 14 และ 7 เท่าของดวงอาทิตย์
เกิดที่ระยะ 1,350 ล้าน ปีแสง จากโลก
GW170104  ตรวจพบเมื่อ 4 มกราคม 2017  เป็นหลุมดำมวล 31 และ 19 เท่าของดวงอาทิตย์
เกิดที่ระยะ 2,900 ล้าน ปีแสง จากโลก
GW170814  ตรวจพบเมื่อ 14 สิงหาคม 2017  เป็นหลุมดำมวล 30 และ 25 เท่าของดวงอาทิตย์
เกิดที่ระยะ 1,760 ล้าน ปีแสง จากโลก  (Event นี้  ตรวจจับโดยสถานี Virgo)

แผนภาพแสดงถึง Event ของ GW (กรอบสี่เหลี่ยมเหลือง)  จะเห็นว่าทั้งหมดเป็นการรวมตัวของ
หลุมดำเล็ก 2 หลุม  กลายเป็นหลุมใหญ่ครับ


อีกภาพหนึ่ง  แสดงถึงระยะทางของ 3 GW Event (ที่ตรวจจับโดย LEGO)


เนื่องจาก GW เกิดจากหลุมดำ 2 หลุมโคจรรอบกัน ... จนกระทั่งหลอมรวมกัน
ดังนั้น  ลักษณะของการโคจรรอบกันก็จะเริ่มด้วยการหมุนวนกันแบบ ช้า ก่อน
โดยช่วงที่หมุนรอบกันช้า นี้  จะมีเส้นแรง GW ออกมาที่ความเข้มต่ำ ... และเมื่อ
หลุมดำเริ่มใกล้กันมากขึ้น  ก็จะหมุนโคจรรอบกันเร็วขึ้น (ความถี่สูงขึ้น)  และมี
ความเข้มของ GW มากขึ้นด้วยครับ

ดังนั้น  pattern ของ GW ก็จะเป็นไปตามภาพนี้ครับ  จะเห็นว่าค่า Strain ซึ่งเป็น ค่าความยืดหด ของท่อ LASER นั้น  
มีการยืดหดที่สอดคล้องกับความถี่ที่หลุมดำโคจรรอบกันเพิ่มขึ้น .... จนเมื่อความถี่ peak ที่ประมาณ 200 Hz  ค่า Strain ก็จะสูงสุด  
นั่นก็หมายความว่า ณ จุดนั้นหลุมดำโคจรรอบกันถึง ขีดสุด แล้ว และก็หลอมรวมกัน .... และ GW ก็หายไปหมดครับ  
เพราะทุกอย่างนิ่งหมดแล้ว


อีกภาพหนึ่ง  ที่แสดงถึงรูปคลื่น GW ที่จับได้  จะเห็นได้เลยว่าหลุมดำคู่ใดที่โคจรกันนานเท่าไหร่
ก่อนที่จะหลอมรวมกัน  จุดที่หลอมรวมกันคือจุดที่สัญญาณ Ringing peak สุด และหายไปครับ


จบแล้ว  สวัสดีครับ

เนื้อหา แปล และ เรียบเรียงจาก  https://www.ligo.caltech.edu