คลื่นความโน้มถ่วง

โดย...วรเชษฐ์ บุญปลอด

สัปดาห์ที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ประกาศว่าสามารถตรวจพบสัญญาณของคลื่นความโน้มถ่วงที่เดินทางมาถึงโลกเมื่อกลางเดือน ก.ย. 2558 คลื่นนี้เกิดจากการชนกันแล้วรวมเข้ากันระหว่างหลุมดำที่อยู่ไกลออกไปในอวกาศ เป็นเครื่องพิสูจน์ยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง สอดคล้องกับทฤษฎีทางฟิสิกส์

คลื่นความโน้มถ่วง (gravitational wave) เป็นคลื่นที่เกิดในปริภูมิเวลา ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ที่เผยแพร่เมื่อ 100 ปีที่แล้ว พยากรณ์การมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นคลื่นอีกชนิดหนึ่ง นอกเหนือจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เคลื่อนที่ในอวกาศด้วยความเร็วเท่าความเร็วแสง แต่ที่ผ่านมาไม่พบหลักฐานโดยตรงซึ่งสามารถพิสูจน์แนวคิดนี้ของไอน์สไตน์ได้ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้

นิวตันอธิบายในกลศาสตร์ดั้งเดิมว่าความโน้มถ่วงเกิดจากแรงที่กระทำระหว่างมวล แต่ไอน์สไตน์อธิบายในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปว่าความโน้มถ่วงเป็นการบิดโค้งของปริภูมิเวลา วัตถุยิ่งมีมวลมากก็ยิ่งทำให้ปริภูมิหรืออวกาศบิดโค้งมาก เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง จะก่อให้เกิดคลื่นแผ่ออกไป ทำนองเดียวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นได้เมื่ออนุภาคมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง แต่แรงโน้มถ่วงเป็นแรงอ่อนที่สุดในบรรดาแรงต่างๆ ทางฟิสิกส์ คลื่นที่เกิดจากความโน้มถ่วงจึงอ่อนมาก แม้แต่ไอน์สไตน์เองก็ไม่คิดว่าจะสามารถตรวจวัดได้

ปี 2517 รัสเซลล์ ฮัลส์ และโจเซฟ เทย์เลอร์ สองนักดาราศาสตร์วิทยุ ซึ่งทำการศึกษาวัตถุท้องฟ้าในคลื่นวิทยุ ได้สำรวจพบพัลซาร์ในกลุ่มดาวนกอินทรี มีชื่อในบัญชีว่า PSR 1913+16 พัลซาร์คือดาวนิวตรอน ซึ่งเป็นซากที่เหลือของดาวฤกษ์มวลมากที่สิ้นอายุด้วยการยุบตัวลงและระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา ดาวนิวตรอนมีความหนาแน่นสูงมาก การอนุรักษ์โมเมนตัมระหว่างกระบวนการยุบตัวของดาวทำให้ดาวนิวตรอนหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูง (นึกถึงนักสเกตน้ำแข็งที่หมุนตัวเร็วขึ้นเมื่อหุบแขนและขาเข้าหาตัว) เมื่อประกอบกับสนามแม่เหล็กความเข้มสูง ทำให้ดาวนิวตรอนแผ่คลื่นวิทยุออกมาจากขั้วแม่เหล็ก ซึ่งทิศทางของขั้วไม่จำเป็นต้องตรงกับขั้วของการหมุนรอบตัวเอง ระหว่างที่ดาวหมุน หากขั้วแม่เหล็กอยู่ในมุมที่หันมาทางโลกได้ เราจะสังเกตพบคลื่นวิทยุแผ่ออกมาจากดาวนิวตรอนเป็นห้วงๆ ทำนองเดียวกับการเห็นแสงจากประภาคาร นักดาราศาสตร์เรียกวัตถุชนิดนี้ว่าพัลซาร์

พัลซาร์ PSR 1913+16 หมุนรอบตัวเองด้วยคาบเพียง 0.06 วินาที การสังเกตการณ์ต่อมาพบว่ามันไม่ได้อยู่โดดเดี่ยว แต่มีคู่ที่มองไม่เห็น ซึ่งภายหลังพบว่าเป็นดาวนิวตรอนเช่นกัน แต่ตรวจไม่พบในคลื่นวิทยุเพราะขั้วแม่เหล็กของดาวที่เป็นคู่ไม่ได้มีทิศทางหันมาทางโลก ดาวนิวตรอนทั้งสองเคลื่อนที่รอบกันด้วยคาบประมาณ 8 ชั่วโมง การสังเกตคลื่นวิทยุที่แผ่ออกมาจากพัลซาร์ทำให้พบว่าคาบการโคจรของระบบสั้นลงอย่างต่อเนื่อง ดาวนิวตรอนทั้งสองกำลังมีวงโคจรตีวงแคบเข้าหากันมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งเป็นไปอย่างเชื่องช้า แสดงว่าระบบกำลังสูญเสียพลังงานออกไปในอวกาศ ซึ่งตามทฤษฎีเชื่อว่าเป็นผลจากการแผ่คลื่นความโน้มถ่วง สิ่งที่สังเกตได้นี้ในระบบดาวนี้สนับสนุนว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีอยู่จริง ทว่ายังไม่ใช่การตรวจวัดได้โดยตรง

นับจากนั้นมา นักดาราศาสตร์ก็ให้ความสนใจวัตถุมวลมากที่โคจรรอบกันและกันในอวกาศ ไม่ว่าจะเป็นระหว่างดาวนิวตรอน 2 ดวง ดาวนิวตรอนกับหลุมดำ และระหว่างหลุมดำ 2 หลุม รวมไปถึงซูเปอร์โนวา เนื่องจากทฤษฎีพยากรณ์ว่าเหตุการณ์รุนแรงที่สุดในเอกภพ อย่างการชนกันของดาวนิวตรอน การรวมกันของหลุมดำ และการยุบตัวจนระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา ก่อให้เกิดริ้วคลื่นสั่นไหวในโครงสร้างของปริภูมิเวลา เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงนี้เดินทางมาถึงโลก เครื่องมือความละเอียดสูงที่ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษจะสามารถตรวจวัดได้ แม้ว่าแอมพลิจูดหรือความสูงของคลื่นจะต่ำถึงระดับหนึ่งในพันล้านส่วนของขนาดอะตอมก็ตาม

สหรัฐอเมริกามีเครื่องมือที่ใช้ในการตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง ติดตั้งที่หอสังเกตการณ์ไลโก (LIGO ย่อมาจาก Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) นำโดยสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (คาลเท็ก) และสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (เอ็มไอที) โดยตั้งอยู่สองแห่ง ในลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา และแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน

เครื่องมือนี้ประกอบด้วยเครื่องยิงลำแสงอินฟราเรดและกระจกสะท้อนแสง แสงส่วนหนึ่งถูกเบนออกไปในแนวตั้งฉากกับแนวเดิม อีกส่วนหนึ่งพุ่งตรงไป จากนั้นแสงทั้งสองลำจะเดินทางภายในท่อยาว 4 กิโลเมตร ไปสะท้อนกระจกที่วางห่างออกไปในแขนแต่ละข้าง แล้วกลับมาที่เครื่องตรวจวัด

ในภาวะปกติที่ไม่มีคลื่นความโน้มถ่วง คลื่นแสงจากทั้งสองลำจะหักล้างกัน แต่เมื่อมีคลื่นความโน้มถ่วงผ่านเข้ามา การยืดหดของปริภูมิเวลาทำให้ระยะทางเปลี่ยนไป เมื่อด้านหนึ่งยืดออก อีกด้านหนึ่งจะหดเข้า ก่อให้เกิดการแทรกสอดของแสง ปรากฏการณ์ดังกล่าวทำให้ปริภูมิเวลายืดและหดเป็นระยะทางน้อยมาก อุปกรณ์จึงต้องมีความละเอียดสูง

นักฟิสิกส์ประกาศในสัปดาห์ที่ผ่านมาว่าเมื่อวันที่ 14 ก.ย. 2558 หอสังเกตการณ์ 2 แห่งของไลโกได้ตรวจพบคลื่นแทรกสอดที่มีรูปแบบคล้ายกัน เกิดขึ้นในเวลาห่างกันเพียง 0.007 วินาที นอกจากนี้ รูปแบบของคลื่นก็สอดคล้องกับแบบจำลองคลื่นที่เกิดขึ้นเมื่อหลุมดำ 2 หลุม โคจรรอบกัน ชนกัน แล้วผนวกรวมเข้าด้วยกัน ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์

ผลการสังเกตการณ์แสดงว่าไลโกตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงได้โดยตรงเป็นครั้งแรก การมีเครื่องตรวจวัด 2 ชุด นอกจากจะช่วยยืนยันผลซึ่งกันและกันแล้ว ยังช่วยให้สามารถระบุระยะทางและตำแหน่งคร่าวๆ ที่เกิดการรวมกันของหลุมดำในอวกาศครั้งนี้ได้อีกด้วย ข้อมูลระบุว่าเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นที่ระยะห่างราว 700-1,600 ล้านปีแสง ในซีกฟ้าใต้ ในอนาคตมีแผนจะสร้างเครื่องตรวจวัดแบบไลโกในอีกอย่างน้อย 3 ประเทศ ได้แก่ อิตาลี อินเดีย และญี่ปุ่น ซึ่งจะช่วยให้สามารถระบุตำแหน่งของแหล่งกำเนิดคลื่นได้แม่นยำมากขึ้น

นักฟิสิกส์ของโครงการ กล่าวว่า การตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงได้โดยตรงเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง นอกจากจะพิสูจน์ชัยชนะที่ยิ่งใหญ่ในทฤษฎี
สัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ได้อีกครั้งหนึ่งแล้ว ยังนับเป็นการเปิดหน้าต่างบานใหม่ของการศึกษาเอกภพ นอกเหนือจากการศึกษาในสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และอาจทำให้เราเข้าใจถึงกำเนิดและโครงสร้างของเอกภพได้ดียิ่งขึ้น