คลื่นความโน้มถ่วงจากการชนกันของดาวนิวตรอนมีความสำคัญอย่างไร? ทำไมนักฟิสิกส์และดาราศาสตร์จึงให้ความสนใจกันมาก?
เขียนเมื่อ 2017/10/17 11:54
แก้ไขล่าสุด 2021/09/28 16:42
นักดาราศาสตร์ประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงที่มาพร้อมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประวัติศาสตร์มนุษยชาติจะต้องจารึกไปตลอดกาล
บทความแปลจาก http://pb.psroc.org.tw/catalog/ins.php?index_m1_id=1&index_id=242&utm_source=2017+TPS+general+Members&utm_campaign=ed01865bd7-EMAIL_CAMPAIGN_2017_10_16&utm_medium=email&utm_term=0_1aa468cca5-ed01865bd7-78771303
(ภาพจาก สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ Fan Page https://www.facebook.com/1605720762824865)
หลุมดำกับคลื่นความโน้มถ่วง
ปัจจุบันดาราศาสตร์ของคลื่นความโน้มถ่วงเริ่มได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในวงการวิทยาศาสตร์แล้ว ในปี 2016 Ronald Drever、Kip S. Thorne และ Rainer Weiss ซึ่งวิจัยเรื่องนี้ได้รับรางวัลชอว์ (邵逸夫獎, Shaw Prize) และรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2017 เป็นของ Rainer Weiss, Barry C. Barish และ Kip S. Thorne น่าเสียดายตรงที่ว่า Ronald Drever ได้ลาจากโลกไปก่อนตั้งแต่เดือนมีนาคม 2017
คลื่นความโน้มถ่วงเป็นปรากฏการณ์ที่ไอน์สไตน์ได้ประกาศคำทำนายเอาไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปตั้งแต่ปี 1915 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปบ่งบอกว่าอัตราความโค้งงอของกาลอวกาศจะก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง เมื่อมวลสองอันที่โคจรรอบกันอยู่ทำให้กาลอวกาศโค้งงอ ก็จะก่อให้เกิดเกลียวคลื่น นั่นก็คือ "คลื่นความโน้มถ่วง" (gravitational wave) เพียงแต่ว่า ต่อให้เป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำที่มีขนาดหลายสิบเท่าของดวงอาทิตย์ก็ตาม กว่าจะเคลื่อนมาไกลโพ้นถึงหลายพันล้านปีแสงจนมาถึงโลกก็อ่อนแรงลงมากแล้ว แอมพลิจูดคลื่นเหลือเพียงขนาดประมาณหนึ่งในหมื่นของเส้นผ่านศูนย์กลางโปรตอนเท่านั้น การจะตรวจจับความเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กกระจิ๊ดเดียวนี้ได้ต้องทำการทดลองอย่างละเอียดเที่ยงตรงสุดๆ
เมื่อ 14 กันยายน 2015 ได้มีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เรียกว่า GW150914（Gravitational Wave 15-09-14) ได้เป็นครั้งแรก แหล่งกำเนิดคลื่นอยู่ห่างไกลจากโลกไป 1337 ล้านปีแสง จากนั้นก็ยังมีการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงอีก 3 ครั้ง คือ GW151226, GW170104 และ GW170814 ล้วนแล้วแต่เป็นการควบรวมหลุมดำคู่ (binary black hole merger) กล่าวคือหลุมดำสองหลุมมารวมตัวเข้าด้วยกัน
เมื่อหลุมดำสองหลุมโคจรรอบกันเอง ความโน้มถ่วงอันแรงกล้าของมันได้ทำให้กาลอวกาศโค้งงอและมีการแผ่กระจายไปสู่รอบนอก เหมือนกับที่เรือสองลำแล่นวนรอบกันแล้วทำให้เกิดคลื่นบนผิวน้ำ เนื่องจากคลื่นความโน้มถ่วงมีพลังงาน จึงปลดปล่อยพลังงานออกมาแล้วสูญเสียพลังงานไปเรื่อยๆ ทำให้ทั้งสองค่อยๆเข้าใกล้กันเรื่อยๆ สุดท้ายแล้วก็รวมกันเป็นหนึ่งเดียว กลายเป็นหลุมดำขนาดมหึมาขึ้นมาอันหนึ่ง
ยิ่งระยะห่างระหว่างหลุมดำใกล้กันมาก คลื่นความโน้มถ่วงที่ปลดปล่อยออกมาก็ยิ่งแรงกล้า เทคโนโลยีระดับก้าวหน้าที่สุดในปัจจุบันตอนนี้สามารถตรวจจับได้แค่คลื่นตอนจังหวะชั่วพริบตาก่อนเกิดการรวมตัวกันเท่านั้น ถึงกระนั้นเพียงแค่พึ่งพาข้อมูลจากตรงจุดนี้นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถได้รับข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับระบบของแหล่งกำเนิดคลื่นนี้มามากมายแล้ว เช่น มาจากทิศทางไหน อายุเท่าไหร่ มวลของหลุมดำทั้งสองเป็นเท่าไหร่ เป็นต้น
คลื่นความโน้มถ่วงกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ตลอดเวลาที่ผ่านมา มนุษย์ชาติรวมถึงสิ่งมีชีวิตที่กำเนิดขึ้นบนโลกตั้งแต่ก่อนหน้านี้ล้วนแล้วแต่อาศัยเพียงลำแสง, คลื่นเสียง, การสัมผัส รวมถึงคลื่นไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็ก ในการรับรู้สิ่งต่างๆบนโลกนี้หรือจักรวาลนี้ แต่ว่าเบื้องหลังของการรับรู้เหล่านี้ ที่จริงแล้วล้วนมาจากหลักทางฟิสิกส์เดียวกัน นั่นคือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า
นักดาราศาสตร์ไม่เคยได้รับข้อมูลคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากการควบรวมกันของหลุมดำทั้ง 4 ครั้งนี้เลย กล้องโทรทรรศน์ทั้งแสงในช่วงคลื่นที่ตามองเห็นและคลื่นวิทยุแต่ละแห่งบนโลก รวมไปถึงกล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์ที่อยู่บนอวกาศ ทั้งหมดล้วนแล้วแต่ไม่สามารถตรวจจับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากเหตุการณ์เหล่านี้ได้ ที่จริงแล้วนี่ก็เป็นไปตามที่นักฟิสิกส์ก็ได้คาดการณ์ไว้ก่อนอยู่แล้วว่าไม่อาจมีคลื่นแม่เล็กไฟฟ้าใดๆแผ่ออกมาได้ เนื่องจากหลุมดำมีมวลมากถึงสิบกว่าหรือหลายสิบเท่าของดวงอาทิตย์ ได้โคจรรอบกันมาเป็นเวลานานเป็นพันล้านปี มวลสารโดยรอบได้ถูกดูดกลืนไปจนเกลี้ยงเกลาแล้ว เมื่อไม่มีมวลสาร ก็ไม่อาจส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใดๆได้ ดังนั้นผลลัพธ์เหล่านี้ได้พิสูจน์ทฤษฎีหลุมดำของนักฟิสิกส์
เช่นนั้นแล้ว เราจะสามารถคาดหวังว่าจะมีระบบที่มีคลื่นความโน้มถ่วงพร้อมกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้หรือเปล่า? ที่จริงแล้วหากว่าวัตถุที่รวมกันนั้นอันใดอันหนึ่งไม่ใช่หลุมดำ แบบนั้นแล้วต่อให้หลังรวมกันจะต้องกลายเป็นหลุมดำก็ตาม แต่บริเวณโดยรอบก็ยังสามารถเหลือมวลสารที่หลุดออกมาจากภายในกระบวนการควบรวมนั้น มวลสารเหล่านี้จะก่อให้เกิดจานพอกพูนมวล (accretion disk) และเจ็ต (jet) ปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ทั้งรังสีแกมมา, รังสีเอ็กซ์, รวมถึงแสงในช่วงคลื่นที่ตามองเห็น รวมไปถึงคลื่นวิทยุ
ที่จริงแล้ว นี่เป็นไปตามทฤษฎีการเกิดแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้น (short gamma-ray burst, sGRB) แสงวาบรังสีแกมมาคือวัตถุท้องฟ้าที่ระเบิดแล้วปลดปล่อยรังสีแกมมาออกมาปริมาณมากอย่างกะทันหัน สามารถแบ่งได้เป็นสองชนิดโดยดูที่ระยะเวลาในการระเบิด ชนิดสั้นคือไม่เกิน 2 วินาที นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้คาดการณ์มานานแล้วว่า "แสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้นเกิดจากการชนและควบรวมกันของดาวนิวตรอนสองดวง" เรียกว่าการควบรวมดาวนิวตรวนคู่ (binary neutron star merger) กลไกการก่อตัวและการแผ่รังสีของแสงวาบรังสีแกมมาเป็นปริศนาหนึ่งในสาขาฟิสิกส์ดาราศาสตร์พลังงานสูงที่ก่อนหน้านี้ยังไม่ได้รับการคลี่คลาย
การจำลองโดยใช้คอมพิวเตอร์ได้แสดงให้เห็นว่าในกระบวนการควบรวมดาวนิวตรอนคู่หรือการควบรวมดาวนิวตรอนกับหลุมดำ (neutron star-black hole merger) อาจปลดปล่อยรังสีแกมมาพลังงานสูงปริมาณมาก ในขณะเดียวกัน เหตุการณ์ควบรวมตัวกันเหล่านี้ก็อาจปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วง เพราะคลื่นความโน้มถ่วงของดาวนิวตรอนเองก็แรงกล้ามาก เป็นรองแค่หลุมดำเท่านั้น
ดังนั้นแล้ว นักฟิสิกส์จึงคาดหวังว่าหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงโดยใช้อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ชนิดเลเซอร์ (Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, LIGO) ในสหรัฐอเมริกา และเครื่องอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์เวอร์โก (VIRGO Interferometer) จะสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้นได้ ข้อมูลจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบวกกับคลื่นความโน้มถ่วงจะทำให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สามารถไขปริศนาแสงวาบรังสีแกมมาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขมาโดยตลอดนี้ได้
ในประวัติศาตร์ มนุษย์ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยวิธีทางอ้อมได้ครั้งแรกโดยอาศัยระบบดาวนิวตรอนคู่ ในปี 1974 Russell Alan Hulse และ Joseph Hilton Taylor, Jr. จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุค้นพบว่าคาบการโคจรรอบกันของระบบดาวนิวตรอนคู่ PSR B1913-16 ค่อยๆลดลง ซึ่งอัตราการลดลงนี้สอดคล้องกับการคาดการณ์โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป Hulse และ Taylor เองก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1993 แต่วิธีการนี้เป็นแค่การคำนวณคลื่นความโน้มถ่วงที่จะได้โดยทางอ้อมจากการสังเกตการณ์ดาวนิวตรอนคู่ ไม่ได้มีส่วนช่วยในการวิจัยแสงวาบรังสีแกมมา
คลื่นความโน้มถ่วงจับมือกับแสง การค้นพบที่จะเปลี่ยนแปลงประวัติศาสตร์
ประวัติวิทยาศาสตร์ช่วงนี้ได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมากตั้งแต่ 17 สิงหาคม 2017 กลุ่มนักวิจัยจากนานาชาติที่นำโดย LIGO และ VIRGO ได้จัดงานแถลงข่าว ประกาศว่า LIGO และ VIRGO ได้ตรวจวัดเจอคลื่นความโน้มถ่วงจากแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้น GRB170817A (คือ Gamma-Ray Burst 17-08-17 รหัส A) เรียกว่า GW170817 คลื่นความโน้มถ่วง-แสงวาบรังสีแกมมาครั้งนี้เริ่มถูกค้นพบโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ส่องเจอแสงวาบรังสีแกมมาได้ก่อน คือกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีแกมมาแฟร์มี (Fermi Gamma-ray Space Telescope) หลังจากกำหนดยืนยันทิศทางได้แล้ว ก็ได้บอกต่อให้กล้องโทรทรรศน์เชิงแสงและคลื่นวิทยุจากที่ต่างๆทั่วโลกสังเกตการณ์กันต่อไป
กล้องดูดาวในแต่ละช่วงคลื่นที่มาจากสถาบันวิจัยกว่า 70 แห่งทั่วโลก ทั้งรังสีแกมมา, รังสีเอ็กซ์, รังสีอุลตราไวโอเล็ต, แสงที่ตามองเห็น, รังสีอินฟราเรด, คลื่นวิทยุ ผนวกเข้ากับคลื่นความโน้มถ่วง ล้วนรวมแรงกันสังเกตการณ์แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง-แสงวาบรังสีแกมมานี้ นี่เป็นการค้นพบครั้งใหญ่ที่ไม่เคยมีมาก่อนบนโลก! ในมุมมองของนักดาราศาสตร์ที่วิจัยแสงวาบรังสีแกมมามาก่อนแล้ว ข้อมูลของ GRB170817A นี้ก็ดูแล้วถือเป็นแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้นธรรมดาๆเหมือนที่เคยเจอกันมา แต่เนื่องจากการที่ LIGO และ VIRGO ได้ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงนี้จากแหล่งแสงวาบรังสีแกมมานี้ จึงได้ทำให้มันกลายเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง-แสงวาบรังสีแกมมาครั้งสำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์ไป
แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง-แสงวาบรังสีแกมมานี้ห่างจากโลกไปประมาณ 130 ล้านปีแสง GW170817 มันต่างจากคลื่นความโน้มถ่วง 4 ครั้งก่อนหน้านี้ตรงที่ไม่ได้มาจากการควบรวมหลุมดำคู่ แต่มาจากการควบรวมดาวนิวตรอนคู่ มวลของดาวนิวตรอนทั้งสองคือ 1.6 และ 1.1 เท่าของดวงอาทิตย์ สอดคล้องกับมวลของดาวนิวตรอนทั่วไป ปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงที่มีพลังงานเทียบเท่ากับ 0.025 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ นี่เป็นคลื่นความโน้มถ่วงจากดาวนิวตรอนครั้งแรกที่มนุษย์สามารถตรวจจับได้ เชื่อได้ว่าในอนาคตจะยังตรวจจับแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง-แสงวาบรังสีแกมมาแบบนี้ได้อีก ซึ่งจะมีส่วนช่วยให้เราเข้าใจโครงสร้างภายในซึ่งมีความหนาแน่นมากของดาวนิวตรอน
ภาพแสดงมวลของดาวนิวตรอนและหลุมดำ [เครดิต: LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern University，http://www.ligo.org/detections/GW170817.php]
นี่เป็นวัตถุท้องฟ้าแรกที่ถูกตรวจวัดเจอการแผ่ของคลื่นตามธรรมชาติทั้งสองชนิด คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และคลื่นความโน้มถ่วง นี่แสดงให้เห็นว่าพวกเราสามารถมองปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์เดียวกันได้ด้วยพื้นฐานทางฟิสิกส์สองแบบที่แตกต่างกัน และสามารถเข้าใจกระบวนการณ์ทางฟิสิกส์ภายในนั้นได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้นไปอีก รังสีแกมมา GRB170817A กับคลื่นความโน้มถ่วง GW170817 ได้ถูกค้นพบในวันเดียวกัน อีกทั้งยังมาจากบริเวณเดียวกันบนท้องฟ้า ทั้งสองมีหลักฐานแสดงถึงความสัมพันธ์ทางฟิสิกส์ที่ดีเยี่ยม การค้นพบที่ว่าแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้นจะตามมาคู่กับคลื่นความโน้มถ่วงนั้น ได้สนับสนุนสมมุติฐานที่กล่าวไว้ข้างต้นว่า "แสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้นเกิดจากการรวมกันของดาวนิวตรอน"
การค้นพบครั้งนี้ไม่ใช่แค่เบิกทางสู่การใช้คลื่นความโน้มถ่วงควบคู่กับการสังเกตการณ์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ยังให้หลักฐานที่มีน้ำหนักมากในเรื่องกลไกการเกิดแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้น จึงคาดหวังได้ว่าดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงกับดาราศาสตร์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะร่วมกันคลี่คลายปัญหายากๆอีกมากมาย และค้นพบปรากฏการณ์ที่มนุษยชาติยากจะจินตนาการได้
ธรรมชาติได้พิสูจน์อีกครั้งแล้วว่าทฤษฎีของไอน์สไตน์ยังคงถูกต้อง
อ่านเพิ่มเติม
ข่าวที่ LIGO และ VIRGO ร่วมกันแถลง: https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817
บทความการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง GW170817: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101
บทความการค้นพบแสงวาบรังสีแกมมา GRB170817A ในทุกช่วงความยาวคลื่น: http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa920c
ต้นฉบับเขียนโดย ดร. หยวี ไห่เฟิง (余海峯) นักดาราศาสตร์ที่เคยร่วมวิจัยในโครงการกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีแกมมาแฟร์มี (Fermi Gamma-ray Space Telescope) ที่มีส่วนสำคัญในการค้นพบครั้งนี้
บทความแปลจาก http://pb.psroc.org.tw/catalog/ins.php?index_m1_id=1&index_id=242&utm_source=2017+TPS+general+Members&utm_campaign=ed01865bd7-EMAIL_CAMPAIGN_2017_10_16&utm_medium=email&utm_term=0_1aa468cca5-ed01865bd7-78771303
(ภาพจาก สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ Fan Page https://www.facebook.com/1605720762824865)
หลุมดำกับคลื่นความโน้มถ่วง
ปัจจุบันดาราศาสตร์ของคลื่นความโน้มถ่วงเริ่มได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในวงการวิทยาศาสตร์แล้ว ในปี 2016 Ronald Drever、Kip S. Thorne และ Rainer Weiss ซึ่งวิจัยเรื่องนี้ได้รับรางวัลชอว์ (邵逸夫獎, Shaw Prize) และรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2017 เป็นของ Rainer Weiss, Barry C. Barish และ Kip S. Thorne น่าเสียดายตรงที่ว่า Ronald Drever ได้ลาจากโลกไปก่อนตั้งแต่เดือนมีนาคม 2017
คลื่นความโน้มถ่วงเป็นปรากฏการณ์ที่ไอน์สไตน์ได้ประกาศคำทำนายเอาไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปตั้งแต่ปี 1915 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปบ่งบอกว่าอัตราความโค้งงอของกาลอวกาศจะก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง เมื่อมวลสองอันที่โคจรรอบกันอยู่ทำให้กาลอวกาศโค้งงอ ก็จะก่อให้เกิดเกลียวคลื่น นั่นก็คือ "คลื่นความโน้มถ่วง" (gravitational wave) เพียงแต่ว่า ต่อให้เป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำที่มีขนาดหลายสิบเท่าของดวงอาทิตย์ก็ตาม กว่าจะเคลื่อนมาไกลโพ้นถึงหลายพันล้านปีแสงจนมาถึงโลกก็อ่อนแรงลงมากแล้ว แอมพลิจูดคลื่นเหลือเพียงขนาดประมาณหนึ่งในหมื่นของเส้นผ่านศูนย์กลางโปรตอนเท่านั้น การจะตรวจจับความเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กกระจิ๊ดเดียวนี้ได้ต้องทำการทดลองอย่างละเอียดเที่ยงตรงสุดๆ
เมื่อ 14 กันยายน 2015 ได้มีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เรียกว่า GW150914（Gravitational Wave 15-09-14) ได้เป็นครั้งแรก แหล่งกำเนิดคลื่นอยู่ห่างไกลจากโลกไป 1337 ล้านปีแสง จากนั้นก็ยังมีการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงอีก 3 ครั้ง คือ GW151226, GW170104 และ GW170814 ล้วนแล้วแต่เป็นการควบรวมหลุมดำคู่ (binary black hole merger) กล่าวคือหลุมดำสองหลุมมารวมตัวเข้าด้วยกัน
เมื่อหลุมดำสองหลุมโคจรรอบกันเอง ความโน้มถ่วงอันแรงกล้าของมันได้ทำให้กาลอวกาศโค้งงอและมีการแผ่กระจายไปสู่รอบนอก เหมือนกับที่เรือสองลำแล่นวนรอบกันแล้วทำให้เกิดคลื่นบนผิวน้ำ เนื่องจากคลื่นความโน้มถ่วงมีพลังงาน จึงปลดปล่อยพลังงานออกมาแล้วสูญเสียพลังงานไปเรื่อยๆ ทำให้ทั้งสองค่อยๆเข้าใกล้กันเรื่อยๆ สุดท้ายแล้วก็รวมกันเป็นหนึ่งเดียว กลายเป็นหลุมดำขนาดมหึมาขึ้นมาอันหนึ่ง
ยิ่งระยะห่างระหว่างหลุมดำใกล้กันมาก คลื่นความโน้มถ่วงที่ปลดปล่อยออกมาก็ยิ่งแรงกล้า เทคโนโลยีระดับก้าวหน้าที่สุดในปัจจุบันตอนนี้สามารถตรวจจับได้แค่คลื่นตอนจังหวะชั่วพริบตาก่อนเกิดการรวมตัวกันเท่านั้น ถึงกระนั้นเพียงแค่พึ่งพาข้อมูลจากตรงจุดนี้นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถได้รับข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับระบบของแหล่งกำเนิดคลื่นนี้มามากมายแล้ว เช่น มาจากทิศทางไหน อายุเท่าไหร่ มวลของหลุมดำทั้งสองเป็นเท่าไหร่ เป็นต้น
คลื่นความโน้มถ่วงกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ตลอดเวลาที่ผ่านมา มนุษย์ชาติรวมถึงสิ่งมีชีวิตที่กำเนิดขึ้นบนโลกตั้งแต่ก่อนหน้านี้ล้วนแล้วแต่อาศัยเพียงลำแสง, คลื่นเสียง, การสัมผัส รวมถึงคลื่นไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็ก ในการรับรู้สิ่งต่างๆบนโลกนี้หรือจักรวาลนี้ แต่ว่าเบื้องหลังของการรับรู้เหล่านี้ ที่จริงแล้วล้วนมาจากหลักทางฟิสิกส์เดียวกัน นั่นคือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า
นักดาราศาสตร์ไม่เคยได้รับข้อมูลคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากการควบรวมกันของหลุมดำทั้ง 4 ครั้งนี้เลย กล้องโทรทรรศน์ทั้งแสงในช่วงคลื่นที่ตามองเห็นและคลื่นวิทยุแต่ละแห่งบนโลก รวมไปถึงกล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์ที่อยู่บนอวกาศ ทั้งหมดล้วนแล้วแต่ไม่สามารถตรวจจับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากเหตุการณ์เหล่านี้ได้ ที่จริงแล้วนี่ก็เป็นไปตามที่นักฟิสิกส์ก็ได้คาดการณ์ไว้ก่อนอยู่แล้วว่าไม่อาจมีคลื่นแม่เล็กไฟฟ้าใดๆแผ่ออกมาได้ เนื่องจากหลุมดำมีมวลมากถึงสิบกว่าหรือหลายสิบเท่าของดวงอาทิตย์ ได้โคจรรอบกันมาเป็นเวลานานเป็นพันล้านปี มวลสารโดยรอบได้ถูกดูดกลืนไปจนเกลี้ยงเกลาแล้ว เมื่อไม่มีมวลสาร ก็ไม่อาจส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใดๆได้ ดังนั้นผลลัพธ์เหล่านี้ได้พิสูจน์ทฤษฎีหลุมดำของนักฟิสิกส์
เช่นนั้นแล้ว เราจะสามารถคาดหวังว่าจะมีระบบที่มีคลื่นความโน้มถ่วงพร้อมกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้หรือเปล่า? ที่จริงแล้วหากว่าวัตถุที่รวมกันนั้นอันใดอันหนึ่งไม่ใช่หลุมดำ แบบนั้นแล้วต่อให้หลังรวมกันจะต้องกลายเป็นหลุมดำก็ตาม แต่บริเวณโดยรอบก็ยังสามารถเหลือมวลสารที่หลุดออกมาจากภายในกระบวนการควบรวมนั้น มวลสารเหล่านี้จะก่อให้เกิดจานพอกพูนมวล (accretion disk) และเจ็ต (jet) ปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ทั้งรังสีแกมมา, รังสีเอ็กซ์, รวมถึงแสงในช่วงคลื่นที่ตามองเห็น รวมไปถึงคลื่นวิทยุ
ที่จริงแล้ว นี่เป็นไปตามทฤษฎีการเกิดแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้น (short gamma-ray burst, sGRB) แสงวาบรังสีแกมมาคือวัตถุท้องฟ้าที่ระเบิดแล้วปลดปล่อยรังสีแกมมาออกมาปริมาณมากอย่างกะทันหัน สามารถแบ่งได้เป็นสองชนิดโดยดูที่ระยะเวลาในการระเบิด ชนิดสั้นคือไม่เกิน 2 วินาที นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้คาดการณ์มานานแล้วว่า "แสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้นเกิดจากการชนและควบรวมกันของดาวนิวตรอนสองดวง" เรียกว่าการควบรวมดาวนิวตรวนคู่ (binary neutron star merger) กลไกการก่อตัวและการแผ่รังสีของแสงวาบรังสีแกมมาเป็นปริศนาหนึ่งในสาขาฟิสิกส์ดาราศาสตร์พลังงานสูงที่ก่อนหน้านี้ยังไม่ได้รับการคลี่คลาย
การจำลองโดยใช้คอมพิวเตอร์ได้แสดงให้เห็นว่าในกระบวนการควบรวมดาวนิวตรอนคู่หรือการควบรวมดาวนิวตรอนกับหลุมดำ (neutron star-black hole merger) อาจปลดปล่อยรังสีแกมมาพลังงานสูงปริมาณมาก ในขณะเดียวกัน เหตุการณ์ควบรวมตัวกันเหล่านี้ก็อาจปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วง เพราะคลื่นความโน้มถ่วงของดาวนิวตรอนเองก็แรงกล้ามาก เป็นรองแค่หลุมดำเท่านั้น
ดังนั้นแล้ว นักฟิสิกส์จึงคาดหวังว่าหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงโดยใช้อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ชนิดเลเซอร์ (Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, LIGO) ในสหรัฐอเมริกา และเครื่องอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์เวอร์โก (VIRGO Interferometer) จะสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้นได้ ข้อมูลจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบวกกับคลื่นความโน้มถ่วงจะทำให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สามารถไขปริศนาแสงวาบรังสีแกมมาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขมาโดยตลอดนี้ได้
ในประวัติศาตร์ มนุษย์ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยวิธีทางอ้อมได้ครั้งแรกโดยอาศัยระบบดาวนิวตรอนคู่ ในปี 1974 Russell Alan Hulse และ Joseph Hilton Taylor, Jr. จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุค้นพบว่าคาบการโคจรรอบกันของระบบดาวนิวตรอนคู่ PSR B1913-16 ค่อยๆลดลง ซึ่งอัตราการลดลงนี้สอดคล้องกับการคาดการณ์โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป Hulse และ Taylor เองก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1993 แต่วิธีการนี้เป็นแค่การคำนวณคลื่นความโน้มถ่วงที่จะได้โดยทางอ้อมจากการสังเกตการณ์ดาวนิวตรอนคู่ ไม่ได้มีส่วนช่วยในการวิจัยแสงวาบรังสีแกมมา
คลื่นความโน้มถ่วงจับมือกับแสง การค้นพบที่จะเปลี่ยนแปลงประวัติศาสตร์
ประวัติวิทยาศาสตร์ช่วงนี้ได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมากตั้งแต่ 17 สิงหาคม 2017 กลุ่มนักวิจัยจากนานาชาติที่นำโดย LIGO และ VIRGO ได้จัดงานแถลงข่าว ประกาศว่า LIGO และ VIRGO ได้ตรวจวัดเจอคลื่นความโน้มถ่วงจากแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้น GRB170817A (คือ Gamma-Ray Burst 17-08-17 รหัส A) เรียกว่า GW170817 คลื่นความโน้มถ่วง-แสงวาบรังสีแกมมาครั้งนี้เริ่มถูกค้นพบโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ส่องเจอแสงวาบรังสีแกมมาได้ก่อน คือกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีแกมมาแฟร์มี (Fermi Gamma-ray Space Telescope) หลังจากกำหนดยืนยันทิศทางได้แล้ว ก็ได้บอกต่อให้กล้องโทรทรรศน์เชิงแสงและคลื่นวิทยุจากที่ต่างๆทั่วโลกสังเกตการณ์กันต่อไป
กล้องดูดาวในแต่ละช่วงคลื่นที่มาจากสถาบันวิจัยกว่า 70 แห่งทั่วโลก ทั้งรังสีแกมมา, รังสีเอ็กซ์, รังสีอุลตราไวโอเล็ต, แสงที่ตามองเห็น, รังสีอินฟราเรด, คลื่นวิทยุ ผนวกเข้ากับคลื่นความโน้มถ่วง ล้วนรวมแรงกันสังเกตการณ์แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง-แสงวาบรังสีแกมมานี้ นี่เป็นการค้นพบครั้งใหญ่ที่ไม่เคยมีมาก่อนบนโลก! ในมุมมองของนักดาราศาสตร์ที่วิจัยแสงวาบรังสีแกมมามาก่อนแล้ว ข้อมูลของ GRB170817A นี้ก็ดูแล้วถือเป็นแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้นธรรมดาๆเหมือนที่เคยเจอกันมา แต่เนื่องจากการที่ LIGO และ VIRGO ได้ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงนี้จากแหล่งแสงวาบรังสีแกมมานี้ จึงได้ทำให้มันกลายเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง-แสงวาบรังสีแกมมาครั้งสำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์ไป
แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง-แสงวาบรังสีแกมมานี้ห่างจากโลกไปประมาณ 130 ล้านปีแสง GW170817 มันต่างจากคลื่นความโน้มถ่วง 4 ครั้งก่อนหน้านี้ตรงที่ไม่ได้มาจากการควบรวมหลุมดำคู่ แต่มาจากการควบรวมดาวนิวตรอนคู่ มวลของดาวนิวตรอนทั้งสองคือ 1.6 และ 1.1 เท่าของดวงอาทิตย์ สอดคล้องกับมวลของดาวนิวตรอนทั่วไป ปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงที่มีพลังงานเทียบเท่ากับ 0.025 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ นี่เป็นคลื่นความโน้มถ่วงจากดาวนิวตรอนครั้งแรกที่มนุษย์สามารถตรวจจับได้ เชื่อได้ว่าในอนาคตจะยังตรวจจับแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง-แสงวาบรังสีแกมมาแบบนี้ได้อีก ซึ่งจะมีส่วนช่วยให้เราเข้าใจโครงสร้างภายในซึ่งมีความหนาแน่นมากของดาวนิวตรอน
ภาพแสดงมวลของดาวนิวตรอนและหลุมดำ [เครดิต: LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern University，http://www.ligo.org/detections/GW170817.php]
นี่เป็นวัตถุท้องฟ้าแรกที่ถูกตรวจวัดเจอการแผ่ของคลื่นตามธรรมชาติทั้งสองชนิด คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และคลื่นความโน้มถ่วง นี่แสดงให้เห็นว่าพวกเราสามารถมองปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์เดียวกันได้ด้วยพื้นฐานทางฟิสิกส์สองแบบที่แตกต่างกัน และสามารถเข้าใจกระบวนการณ์ทางฟิสิกส์ภายในนั้นได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้นไปอีก รังสีแกมมา GRB170817A กับคลื่นความโน้มถ่วง GW170817 ได้ถูกค้นพบในวันเดียวกัน อีกทั้งยังมาจากบริเวณเดียวกันบนท้องฟ้า ทั้งสองมีหลักฐานแสดงถึงความสัมพันธ์ทางฟิสิกส์ที่ดีเยี่ยม การค้นพบที่ว่าแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้นจะตามมาคู่กับคลื่นความโน้มถ่วงนั้น ได้สนับสนุนสมมุติฐานที่กล่าวไว้ข้างต้นว่า "แสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้นเกิดจากการรวมกันของดาวนิวตรอน"
การค้นพบครั้งนี้ไม่ใช่แค่เบิกทางสู่การใช้คลื่นความโน้มถ่วงควบคู่กับการสังเกตการณ์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ยังให้หลักฐานที่มีน้ำหนักมากในเรื่องกลไกการเกิดแสงวาบรังสีแกมมาชนิดสั้น จึงคาดหวังได้ว่าดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงกับดาราศาสตร์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะร่วมกันคลี่คลายปัญหายากๆอีกมากมาย และค้นพบปรากฏการณ์ที่มนุษยชาติยากจะจินตนาการได้
ธรรมชาติได้พิสูจน์อีกครั้งแล้วว่าทฤษฎีของไอน์สไตน์ยังคงถูกต้อง
อ่านเพิ่มเติม
ข่าวที่ LIGO และ VIRGO ร่วมกันแถลง: https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817
บทความการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง GW170817: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101
บทความการค้นพบแสงวาบรังสีแกมมา GRB170817A ในทุกช่วงความยาวคลื่น: http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa920c
ต้นฉบับเขียนโดย ดร. หยวี ไห่เฟิง (余海峯) นักดาราศาสตร์ที่เคยร่วมวิจัยในโครงการกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีแกมมาแฟร์มี (Fermi Gamma-ray Space Telescope) ที่มีส่วนสำคัญในการค้นพบครั้งนี้