คลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves)

สวัสดีครับ ผมเชื่อว่าในวันสองวันที่ผ่านมานี้ Facebook นั้นเต็มไปด้วยข่าวเกี่ยวกับการค้นพบ gravitational waves ของ LIGO ไงเดี่ยววันนี้จะมาเล่าคราวๆให้ฟัง (แต่ยังไงผมต้องออกตัวก่อนว่าไม่ได้เป็นผู้เชี่ยวชาญทางด้านนี้หากมีประเด็นไหนใครต้องการเพิ่มเติมก็โอเคเลยครับ)

ปล link ที่ไห้ด้านล่างอ่านง่ายอยู่ครับ

เรามาเริ่มต้นที่ทฤษฎีสัมพัธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์นั้น บริเวณรอบตัวเราเกิดจากการทักทอของ space-time ใน 4 มิติ (3 มิติของตำแหน่ง+1 มิติของเวลา)เพื่อความง่ายต่อความเข้าใจ เราจินตนาการว่า space-time เป็นแผ่นชีท 2 มิติ ดังรูป

หากเราว่างลูกเหล็กลงไปชีทนี้ตามรูปด้านล่างจะทำให้เกิดการบิดโค้งของ space-time ยิ่งลูกบอลมีมวลมากก็จะทำให้เกิดการบิดโค้งมากขึ้นตามลำดับ รูปด้านล่างแสดงให้เห็นถึงความต่างของการบิดโค้งของ space-time สำหรับวัตถุที่มวลต่างกัน

การบิดโค้งของ space-time นั้นได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นจริงตามทฤษฎีเป็นที่เรียบร้อย ถึงตอนนี้อาจจะคิดว่าเกี่ยวยังไงกับ gravitational waves กับสิ่งที่อธิบายไปข้างต้น ต้องบอกว่าอาจจะไม่เกี่ยวโดยตรง แต่ก็เป็นแนวคิดพื้นฐานในการทำความเข้าใจการเกิด gravitational wave

ตามทฤษฏีของไอน์สไตน์นั้นวัตถุทรงกลมที่หมุนรอบแกนศูนย์กลางมวลนั้นไม่สามารถทำให้เกิด gravitational waves ได้สรุปคือทำได้แค่บิดโค้ง space-time แต่หากเป็นระบบมวลคู่หมุนรอบกัน เช่น หลุมดำสองหลุม หรือ ดาวนิวตรอนสองดาว จะก่อให้เกิดการกระเพื่อมของ space-time ดังรูปด้านล่าง เราอาจจะคิดเปรียบเทียบได้กับการเอามือค้นน้ำในอ่าง เจ้าคลื่นของการกระเพื่อมของ space-time นี้เรียกว่า gravitational waves ที่ LIGO ตรวจจับเจอนั้นเอง สำหรับคู่มวลที่ขนาดใหญ่ก็จะยิ่งทำให้เกิดเจ้าคลื่นนี้ได้รุนแรงได้มาก

เจ้า gravitational waves นี้จะทำให้ space-time นั้นโดนดึงออกแล้วบีบอัดสลับกันไปและเดินทางด้วยความเร็วแสง ลองนึกภาพตัวเราภายใต้เจ้า gravitational waves นี้ ตัวเราจะโดนดึงให้กว้างขึ้นตามแนวนอนและหดลงตามแนวดิ่ง จากนั้นจะโดนบีบอัดตามแนวนอนและยืดออกตามแนวดิ่ง ดูภาพจำลองตาม

http://techcrunch.com/2016/02/11/einsteins-gravitational-waves-have-been-detected-for-the-first-time/

การทำนายของการมีอยู่ของเจ้า gravitational waves นี้ถือว่ามีมานานมากแล้ว แต่ยังไม่มีการตรวจพบ มีความพยายามมาก่อนแต่ที่ได้นั้นไม่ใช่ gravitational wave เหตุที่ทำให้มันตรวจพบได้ยากนั้นเพราะมันอ่อนมากๆนั้นเอง

ทีม LIGO นั้นออกแบบเครื่องวัดเจ้า gravitational waves นี้โดยยิงลำแสงเลเซอร์ จากนั้นแยกออกเป็นสองลำตั้งฉากกันยาว 4 กิโลเมตรตามรูป เมือวิ่งไปสุดแล้วให้สะท้อนกลับมากลับไปประมาณ 400 รอบ ตามรูป

จากนั้นเรานำลำแสงทั้งสองลำมาเจอกันซึ่งจะเกิดการแทรกสอดระหว่างแสงทั้งสองลำ แต่ผลของการแทรกสอดเป็นแบบทำลายล้างกัน (จุดสูงสุดของคลื่นหนึ่งตรงกับจุดตำ่สุดของอีกคลื่นหนึ่ง) ดังรูปด้านล่าง

คราวนี้หากว่ามี gravitational wave มานั้นจำทำให้เกิดการยืดหดของ space-time บริเวณเครื่องวัด ดังรูป

การยืดหดของแขนทั้งสอง ส่งผลทำให้รูปแบบของการแทรกสอดเปลี่ยนไป ดังรูป นั้นคือ จากทำลายล้างกันหมด เมื่อ peak เลื่อนไป ก็ทำให้เหลือผลของการแทรกสอดบ้างส่วน

ปัญหาที่ทีมนักวิจัย LIGO นั้นต้องคิดเป็นอย่างหนักจากที่อ่านดูนั้นคือ จะจัดการเจ้าพวกที่เป็น background noises ออกไปได้อย่างไร เพื่อทำให้แน่ใจว่าเจ้าสิ่งที่ตรวจจับได้นั้นเป็นเจ้า gravitational waves จริงๆ แต่ว่าเจ้าคุณลักษณะทำคัญของเจ้าสัญญาณ gravitational waves นั้นคือ เจ้ารูปแบบของการแทรกสอดจะมีการสั่นไปมาเนื่องจากยืดหดของแขนทั้งสองข้างของลำเลเซอร์

รูปด้านล่างเป็นรูปสัญญาณที่ทาง LIGO ตรวจจับได้ ซึ่งเป็น graviational waves ที่ผลิตจากหลุมดำสองหลุมที่หมุนรอบกัน ในช่วงแรกนั้นหลุมดำทั้งสองหมุนรอบกันและผลิตคลื่นแรงโน้มถ่วงออกมา หลุมดำทั้งสองนั้นสูญเสียพลังงานผ่านเจ้า gravitational waves ต่อมาเมื่อหลุมดำทั้งสองเข้ารวมตัวกันนั้นจะส่งคลื่นแรงโน้มถ่วงออกมาสูงสุด หลังจากนั้นก็รวมกันเป็นหลุมดำอันใหม่

ประเด็นที่ต้องไม่ให้สับสน ระหว่าง gravitational waves กับ Primordial gravitational waves เพราะเจ้า Primordial gravitational waves นั้นเกิดมาจาก Big Bang ซึ่งไม่ใช่สิ่งที่ LIGO พยายามตรวจหา

คำถามที่ตามมาว่าทำไมการเจอเจ้า gravitational waves นี้ถึงสำคัญมากมายจนทำให้คนทั่วโลกตื่นเต้นนักหนา

ประการแรกคือ อาจจะเป็นการเปิดหน้าใหม่ของการสำรวจจักวาลของเรา เพราะปัจจุบันเราสำรวจจักรวาลแบบอาศัยแสง ดังนั้นการมีอยู่ของคลื่นแรงโน้มถ่วงนั้นเป็นการเปิดแนวทางใหม่ในการสำรวจปรากฏการณ์ต่างๆในแบบที่แสงทำไม่ได้

ประการที่สองคือเรารู้ว่าแหล่งของที่มาของ gravitational waves นั้นมาจากระบบมวลคู่ซึ่งอาจจะเป็น การหมุนวนระหว่างหลุมดำแล้วเข้าร่วมตัวกันเป็นต้น ดังนั้นการมีอยู่ของ gravitational waves นั้นเป็นการยืนยันการมีอยู่ของระบบดังกล่าว หรือพูดอีกอย่างหลุมดำนั้นมีอยู่จริงนั้นเอง

ประการที่สามคือ ที่ผ่านมาการทดสอบทฤษฎีสัมพัธภาพ เช่น การเลื่อนไปของวงโคจรของดาว Mercury นั้นอยู่บนสมมุติฐานว่า space-time นั้นเป็นแบบ static แต่การมีอยู่ของ gravitational waves นั้น space-time นั้นจะเปลี่ยนไปกับเวลานั้นเอง