เดือนกันยายนปี พ.ศ. 2568 จะครบรอบ 10 ปีพอดีนับตั้งแต่มีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Waves) ได้โดยตรงเป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้ทำนายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2459 คลื่นที่มองไม่เห็นเหล่านี้เปรียบเสมือนริ้วรอยในอวกาศ ได้ถูกตรวจพบครั้งแรกโดย หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงด้วยระบบอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบเลเซอร์ (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) หรือ ไลโก (LIGO) คลื่นเหล่านี้เดินทางด้วยความเร็วแสง (ประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที) และมีผลในการยืดและบีบอัดปริภูมิ-เวลา (Space-time) ซึ่งเป็นโครงสร้างของเอกภพ เปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างวัตถุที่มันเคลื่อนผ่านไปอย่างเล็กน้อย
คลื่นในห้วงอวกาศ เกิดขึ้นได้อย่างไร?
คลื่นความโน้มถ่วงจะเกิดขึ้นเมื่อวัตถุที่มีมวลมหาศาลมีการเร่งความเร็วในอวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเหตุการณ์ที่รุนแรงและใหญ่โต ไลโกสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรกได้จากเหตุการณ์ที่ หลุมดำ (Black Hole) สองแห่งโคจรเข้าหากันจนกระทั่งหลอมรวมเป็นหนึ่งเดียว ก่อให้เกิดริ้วรอยเขย่าโครงสร้างปริภูมิ-เวลา อย่างไรก็ตาม คลื่นเหล่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นจากหลุมดำเท่านั้น แต่ยังสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อดาวฤกษ์เกิดการระเบิดครั้งใหญ่ที่เรียกว่า ซูเปอร์โนวา (Supernova) หรือจากดาวที่หนาแน่นอย่างดาวนิวตรอน (Neutron Star) ด้วยเหตุผลที่แตกต่างกันไป แม้ว่าคลื่นเหล่านี้จะมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า แต่นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถสร้างภาพจำลองการหลอมรวมของหลุมดำและการเกิดคลื่นออกมาได้
หลักการทำงานอันชาญฉลาดของไลโก
ไลโก สร้างขึ้นโดยมีอุโมงค์สองเส้นที่มีความยาวประมาณ 4 กิโลเมตร จัดเรียงเป็นรูปตัว “L” ที่ปลายอุโมงค์แต่ละด้านจะมีกระจกขัดมันที่มีน้ำหนัก 40 กิโลกรัม ติดตั้งอยู่ เพื่อใช้สะท้อนลำแสงเลเซอร์ ลำแสงเลเซอร์จะถูกส่งออกมาจากห้องสังเกตการณ์และถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนเท่า ๆ กัน ให้เดินทางไปตามอุโมงค์แต่ละเส้นและสะท้อนกลับ เมื่อลำแสงทั้งสองกลับมารวมกัน หากความยาวของแขนทั้งสองข้างเท่ากันทุกประการ คลื่นแสงจะหักล้างกันอย่างสมบูรณ์ทำให้เกิดความมืดที่อุปกรณ์ตรวจจับ
แต่เมื่อใดก็ตามที่คลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนผ่าน มันจะยืดแขนข้างหนึ่งพร้อมกับบีบแขนอีกข้างหนึ่งเล็กน้อย ทำให้ความยาวของแขนทั้งสองเปลี่ยนไปไม่เท่ากัน เมื่อแสงกลับมารวมกัน มันจึงไม่สามารถหักล้างกันได้สมบูรณ์อีกต่อไป ส่งผลให้เกิดแสงวูบวาบเพียงเล็กน้อยขึ้นที่ตัวตรวจจับ ซึ่งเป็นหลักฐานบ่งชี้ถึงการมาถึงของคลื่น
การตรวจจับที่แท้จริงจะเกิดขึ้นที่จุดรวมแสง เมื่อแม้กระทั่งการยืดและบีบเพียงน้อยนิดก็ทำให้เวลาที่ลำแสงเลเซอร์ใช้ในการเดินทางกลับมาแตกต่างกัน นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของรูปแบบการแทรกสอดที่สามารถวัดผลได้ เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณที่ตรวจพบเป็นคลื่นความโน้มถ่วงจริง ๆ ไม่ใช่สัญญาณรบกวนในพื้นที่ หอสังเกตการณ์ไลโกทั้งสองแห่ง ซึ่งตั้งอยู่ในรัฐวอชิงตัน (LIGO Hanford) และรัฐลุยเซียนา (LIGO Livingston) จะต้องบันทึกรูปแบบเดียวกันนี้ได้ภายในเวลาเพียงเสี้ยววินาที เมื่อเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ขึ้น ก็ถือเป็นการยืนยันว่ามีคลื่นความโน้มถ่วงกำลังแผ่ผ่านโลกของเรา แม้ว่าเราจะไม่รู้สึกถึงคลื่นเหล่านี้เลย แต่ตอนนี้เราก็มีวิธีการตรวจจับมันแล้ว!
ด้วยความช่วยเหลือจากหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงอีกสองแห่งคือ เวอร์โก (VIRGO) ในอิตาลี และคากรา (KAGRA) ในญี่ปุ่น ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมามีการตรวจจับเหตุการณ์การรวมตัวของหลุมดำไปแล้วกว่า 300 ครั้ง ซึ่งบางส่วนได้รับการยืนยันแล้ว และบางส่วนกำลังรอการศึกษาเพิ่มเติม
ข้อมูลอ้างอิง: NASA
- October’s Night Sky Notes: Let’s Go, LIGO!
About the Author
