ทำไมต้องตื่นเต้นเรื่อง "คลื่นความโน้มถ่วง"

โดย...ดร.นำชัย ชีววิวรรธน์ ฝ่ายสื่อวิทยาศาสตร์ สวทช.

เมื่อวันที่ 11 ก.พ. 2559 ที่ผ่านมา ข่าวการประกาศการค้นพบ “คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Wave)” โด่งดังไปทั่วโลก ในประเทศไทยสถาบันอุดมศึกษา 5 แห่ง ก็จัดเสวนาเรื่องนี้ นับว่าเป็น “ปรากฏการณ์” ได้ทีเดียว 

ทำไมต้องตื่นเต้นเรื่อง “คลื่นความโน้มถ่วง”? คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร?

คลื่นความโน้มถ่วง คือ ร่องรอยการกระเพื่อมของ กาลอวกาศ (Space-Time) ...งงไหมครับ? เริ่มใหม่ละกัน ขอเริ่มจาก “ความโน้มถ่วง” กันก่อน ...สิ่งต่างๆ ในเอกภพไม่ได้ล่องลอยในอวกาศโดยไม่เกี่ยวข้องกัน พวกมันส่งแรงโน้มถ่วงต่อกัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อธิบายว่า ทุกอย่างในเอกภพยึดโยงกันคล้ายกับมี “เส้นใย (Fabric)” ของความโน้มถ่วงขึงเอกภพเข้าด้วยกัน  

เปรียบเทียบได้คล้ายกับแบบจำลอง “ลูกโบว์ลิ่งกับแผ่นยาง” ความโน้มถ่วงก็คือปรากฏการณ์ที่มวลไป “บิด” อวกาศแบบเดียวกับที่ลูกโบว์ลิ่งถ่วงแผ่นยางให้บุ๋มลงไป จะบุ๋มมากหรือน้อยก็ขึ้นกับเนื้อหรือ “มวล” ลูกโบว์ลิ่งเอง หากวางลูกปิงปองลงไป (ใช้แทนดาวฤกษ์หรือดาวเคราะห์ ฯลฯ) มันก็จะเคลื่อนบนผิวยางเข้าหาลูกโบว์ลิ่งโดยอัตโนมัติ เสมือนกาลอวกาศที่บิดโค้งนำพวกมันเข้าหากัน ตัวลูกปิงปองเองก็บิดยาง แต่น้อยมากจนสังเกตยากเท่านั้นเอง

ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ และสิ่งต่างๆ ในเอกภพดึงดูดกันแบบนี้แหละครับ

ที่นี้หากมีมวลมหาศาลแบบหลุมดำ ก็มีโอกาสที่จะทำให้กาลอวกาศบิดเบี้ยวจนเกิด “การกระเพื่อม” ของกาลอวกาศแผ่ออกไปรอบตัว คล้ายระลอกคลื่นน้ำซึ่งอาจตรวจวัดได้ แต่ก็ยากมากๆๆๆ แม้แต่ไอน์สไตน์เองก็ยังถอดใจว่า ไม่น่าจะมีใครทำได้ แต่ในที่สุดก็มีคนทำได้!

การตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงต้องทำอย่างไร?

ใช้เครื่อง อินเตอร์ฟีรอมิเตอร์ (Interferometer) ครับ หลักการทำงานดูได้จากแผนภาพอย่างง่าย ต้นกำเนิดแสงเลเซอร์ (ซ้ายมือ) จะให้ลำแสงที่เคลื่อนผ่านสปลิตเตอร์ (Splitter) ที่เป็นกระจกพิเศษซึ่งแยกลำแสงเลเซอร์ออกจากกันได้เป็นสองลำ โดยลำหนึ่งจะพุ่งตรงไป ขณะที่อีกลำหนึ่งหักเหทำมุม 90 องศากับทิศทางเดิม ลำแสงทั้งคู่จะเคลื่อนไปตามแขนของเครื่องวัด (แขนของเครื่องที่ LIGO ยาวถึง 4 กิโลเมตร!) ก่อนกระทบกับกระจกที่ปลายแขน แล้วสะท้อนกลับมาที่สปลิตเตอร์เพื่อรวมตัวกันอีกครั้ง แล้วเคลื่อนที่ไปยังตัวจับสัญญาณแสง (ด้านล่าง) ในที่สุด

ถ้าเลเซอร์ทั้งสองลำที่สะท้อนกลับมารวมตัวกันด้วยความถี่พอดีกัน เพราะระยะทางที่เคลื่อนผ่านเท่ากัน แต่หากระยะทางเปลี่ยนไป คลื่นทั้งคู่จะ “แทรกสอด” กัน เพราะท้องคลื่นและยอดคลื่นไม่ตรงกันพอดี เครื่องอินเตอร์ฟีรอมิเตอร์นี้จะสามารถวัดและวิเคราะห์ข้อมูลออกมาได้

นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างเครื่องมือที่ว่านี้ไว้เป็นคู่ ที่เมืองลิฟวิงสตัน รัฐหลุยเซียนา และเมืองแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน ห่างกันถึง 3,000 กิโลเมตร เพื่อให้แน่ใจว่าผลการทดลองที่วัดได้ ไม่ได้เป็น “ผลบวกเทียม” จากปัจจัยอื่นที่ไม่เกี่ยวข้อง ชื่อ ไลโก้ (LIGO) มาจาก The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

ต้นกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงที่วัดได้นี้ เกิดจากหลุดดำ 2 หลุมที่หมุนรอบกันก่อนรวมตัวเป็นหลุมดำหลุมเดียว เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อ 1,300 ล้านปีก่อน แต่เพิ่งเดินทางมาถึงโลก เพราะที่เกิดเหตุอยู่ไกลมากๆ ครั้งนี้ยังเป็นครั้งแรกที่ยืนยันได้ว่า มีหลุมดำคู่อยู่จริงอีกด้วย สัญญาณที่ไลโก้จับได้ครานี้กินเวลาสั้นๆ เพียง 0.2 วินาทีเท่านั้น และความยาวแขนอุปกรณ์ของไลโก้ที่เปลี่ยนแปลงไปนั้นน้อยมาก

คือสั้นกว่าขนาดอะตอมเสียอีก!

การที่คลื่นความโน้มถ่วงไม่มีมวล และเดินทางด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วแสง ทำให้มีสมบัติตรงตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์พอดี ถือเป็นการยืนยันความเก่งสุดๆ ของไอน์สไตน์อีกครั้ง!

กล้องดาราศาสตร์ในปัจจุบันที่เป็น “ตา” ให้กับเราล้วนแล้วแต่วัด “ความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wavelength)” ทั้งสิ้น ไม่ว่าจะเป็นกล้องโทรทรรศน์แสง, อินฟราเรด, เอกซเรย์ ฯลฯ เทคนิคใหม่นี้จึงน่าจะมีประโยชน์ใช้สำรวจเอกภพส่วนที่เราไม่เคยสำรวจได้ เช่น หลุมดำหรือดาวนิวตรอน ต่างๆ เป็นต้น

เป็น “หู” คู่ใหม่สำหรับมนุษยชาติในการสำรวจอวกาศต่อไป!