1 ทศวรรษ ‘ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง’
Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ
ดาราศาสตร์ในปัจจุบันมีแนวคิดหรือสาขาหนึ่งที่เรียกว่า ดาราศาสตร์พหุพาหะ (Multi-messenger Astronomy) ซึ่งหมายถึง การศึกษาเอกภพด้วย ‘พาหะนำสาร’ หลายรูปแบบเพื่อให้ได้ข้อมูลที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น พาหะนำสารแบ่งเป็น 4 กลุ่มหลักแบบนี้ครับ
กลุ่มแรก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่คลื่นวิทยุไปจนถึงรังสีแกมมา (แสงที่ตามองเห็นก็เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้ด้วย) เป็นพาหะนำสารที่ใช้งานมากที่สุด
กลุ่มที่สอง รังสีคอสมิก เป็นอนุภาคมีประจุพลังงานสูงจากอวกาศที่พุ่งมายังโลก ให้เบาะแสเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดพลังงานรุนแรงในจักรวาล
กลุ่มที่สาม นิวตริโน เป็นอนุภาคที่มีอันตรกิริยากับสสารน้อยมาก จึงสามารถหลุดออกจากใจกลางปรากฏการณ์พลังงานสูง เช่น ซูเปอร์โนวา และนำข้อมูลภายในออกมาได้
กลุ่มที่สี่ คลื่นความโน้มถ่วง เป็นการกระเพื่อมของกาลอวกาศ อาจเกิดจากการรวมตัวของวัตถุมวลมาก เช่น หลุมดำ และดาวนิวตรอน
ในบรรดาพาหะนำสารทั้งหมดนี้ การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงนับเป็นก้าวกระโดดครั้งใหญ่ เพราะนอกจากจะยืนยันคำทำนายจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแล้ว ยังเปิดประตูสู่การสำรวจเอกภพในมิติใหม่อีกด้วย
ปีนี้ – ค.ศ.2025 – ครบ 1 ทศวรรษของการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง GW150914 โดยตรงเป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 14 กันยายน ค.ศ.2015
ทั้งนี้ วันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 มีการประกาศความสำเร็จอย่างเป็นทางการ และถือกันว่าเป็นวันที่ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Wave Astronomy) ถือกำเนิดขึ้นอย่างเป็นทางการ
แม้ว่าขณะที่เขียนบทความนี้ ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงยังมีอายุไม่ครบ 10 ปีบริบูรณ์ก็ตาม แต่ก็ใกล้มากแล้ว จึงน่าจะเหมาะที่จะชวนมาทบทวนพัฒนาการของสาขาวิชานี้กันครับ
เรื่องแรก ขอปูพื้นฐานกันก่อนว่าทำไม ‘ความโน้มถ่วง’ จึงเป็น ‘คลื่น’ ได้ด้วย
ที่มา : https://www.nature.com/articles/s41586-019-1129-z
ย้อนกลับไปใน ค.ศ.1687 เซอร์ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) ได้เสนอทฤษฎีแรงโน้มถ่วงสากล (Universal Law of Gravitation) ว่ามวลสองก้อนใดๆ ในเอกภพดึงดูดกันด้วยแรงที่แปรผันตรงกับผลคูณของมวลทั้งสองและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง นี่คือกรอบความเข้าใจเรื่องแรงโน้มถ่วงที่ยาวนานกว่าสองศตวรรษ
ใน ค.ศ.1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) ซึ่งให้มุมมองใหม่เกี่ยวกับเวลาและอวกาศ กล่าวคือ ทั้งสองอย่างนี้มีความสัมพันธ์กันอย่างลึกซึ้ง
พอถึงปี ค.ศ.1908 นักคณิตศาสตร์ชื่อ แฮร์มันน์ มิงคอฟสกี (Hermann Minkowski) ได้นำทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษมาจัดระเบียบในทางคณิตศาสตร์ และเสนอแนวคิดผนวกอวกาศและเวลาเป็นโครงสร้างเดียว เรียกว่า กาลอวกาศ (spacetime) ทั้งนี้ ในกรณีของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษอาจระบุให้คมชัดว่าเป็น กาลอวกาศแบน (flat spacetime)
ต่อมา ในปี ค.ศ.1915 ไอน์สไตน์ขยายทฤษฎีสัมพัทธภาพออกไปจนครอบคลุมกรณีที่มีความเร่งและความโน้มถ่วงเกิดเป็นทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) และแสดงให้เห็นว่ากาลอวกาศตามทฤษฎีนี้เป็น กาลอวกาศโค้ง (curved spacetime) โดยที่สสารและพลังงานทำให้กาลอวกาศโค้ง ส่วนความโค้งของกาลอวกาศแสดงตัวออกมาในรูปของความโน้มถ่วงนั่นเอง
หนึ่งปีต่อมา ในเดือนมิถุนายน ค.ศ.1916 ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์บทความชื่อ N?herungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation (Approximate Integration of the Field Equations of Gravitation ; การอินทิเกรตโดยประมาณของสมการสนามของความโน้มถ่วง) ซึ่งเขาใช้การประมาณเชิงเส้นสำหรับสมการสนามในสภาวสนามโน้มถ่วงอ่อน และพบว่ากาลอวกาศสามารถกระเพื่อมและเกิดคลื่นแผ่ออกไปด้วยความเร็วแสง คลื่นนี้เรียกว่า คลื่นความโน้มถ่วง (gravitational waves)
อย่างไรก็ดี บทความแรกของไอน์สไตน์ยังมีข้อผิดพลาดทางคณิตศาสตร์ทำให้คำตอบมีคลื่นที่เป็นไปไม่ได้ (เช่น คลื่นตามยาว) อยู่ด้วย อีกทั้งการคำนวณการสูญเสียพลังงานก็ยังไม่ถูกต้อง ดังนั้นในปี ค.ศ. 1918 ไอน์สไตน์ได้แก้ไขข้อผิดพลาดดังกล่าวและเสนอสูตรคำนวณอัตราการสูญเสียพลังงานของระบบที่มีความเร่ง โดยพลังงานเปลี่ยนไปอยู่คลื่นความโน้มถ่วง เรียกว่า สูตรควอดรูโพล (quadrupole formula) ซึ่งใช้ในกรณีสนามความโน้มถ่วงอ่อนและการกระจายมวลไม่สมมาตรแบบทรงกลม
น่าสนใจไม่น้อยว่า ในปี ค.ศ.1936 ไอน์สไตน์ได้ถอนบทความ “Do Gravitational Waves Exist?” ซึ่งเขียนร่วมกับนาธาน โรเซน ออกจาก Physical Review เนื่องจากเขาไม่พอใจต่อการวิจารณ์ของผู้ทรงคุณวุฒิที่ชี้ให้เห็นข้อผิดพลาดในบทความต้นฉบับ ซึ่งเดิมทีบทความนั้นมีข้อสรุปที่ผิดพลาดว่า “คลื่นความโน้มถ่วงไม่มีอยู่จริง” อย่างไรก็ตาม หลังจากแก้ไข ไอน์สไตน์ได้แสดงให้เห็นการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงแบบทรงกระบอก (cylindrical gravitational waves) และตีพิมพ์บทความฉบับปรับปรุงใน Journal of the Franklin Institute ในปี ค.ศ.1937
ตลอดหลายทศวรรษแรก มีการถกเถียงกันว่าคลื่นความโน้มถ่วงเป็นเพียงผลลัพธ์ทางคณิตศาสตร์หรือเป็นปรากฏการณ์จริง!
จนกระทั่ง ปี ค.ศ.1957 การประชุม Conference on the Role of Gravitation in Physics ที่มหาวิทยาลัยนอร์ทแคโรไลนาที่แชเพลฮิลล์ ร่วมกับข้อโต้แย้ง ‘sticky bead argument’ ของริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Feynman) และงานวิเคราะห์ของเฟลิกซ์ พิรานี (Felix Pirani) ได้แสดงให้เห็นว่าผลของคลื่นความโน้มถ่วงต่อความโค้งของกาลอวกาศ (ผ่านรีมันน์เทนเซอร์และการเบี่ยงเบนจีโอเดซิก) เป็นปริมาณสังเกตได้ในเชิงหลักการ ซึ่งช่วยยืนยันว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีจริงในทางกายภาพ แม้ในเวลานั้นยังไม่มีการตรวจจับในเชิงทดลอง
หลักฐานที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางครั้งแรกเกิดขึ้นในปี ค.ศ.1974 เมื่อ รัสเซลล์ ฮัลส์ (Russell Hulse) และโจเซฟ เทย์เลอร์ (Joseph Taylor) ค้นพบพัลซาร์คู่ PSR B1913+16 การสังเกตการณ์ในระยะยาวพบว่าวงโคจรของระบบค่อยๆ หดลง คือสูญเสียพลังงานตรงสูตรควอดรูโพลอย่างแม่นยำ นี่คือหลักฐานทางอ้อมที่บ่งถึงการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง และทำให้นักวิจัยทั้งคู่ได้รับรางวัลโนเบลในปี ค.ศ.1993
ในแง่การทดลอง โจเซฟ เวเบอร์ (Joseph Weber) ได้สร้างเครื่องตรวจจับแบบแท่งเรโซแนนซ์ และในปี ค.ศ.1969 เขารายงานการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง อย่างไรก็ดี ผลลัพธ์ดังกล่าวไม่ได้รับการยอมรับเนื่องจากไม่สามารถทำซ้ำได้โดยนักวิจัยคนอื่น
ต่อมา ในปี ค.ศ.1972 ไรเนอร์ ไวส์ (Rainer Weiss) ได้เสนอแนวคิดการใช้เครื่องอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์ขนาดกิโลเมตร ซึ่งกลายเป็นพิมพ์เขียวสำหรับโครงการไลโก้ (LIGO) หรือ หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงด้วยอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์ (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) และต่อมาแนวคิดเดียวกันนี้ก็นำไปใช้ในการพัฒนาโครงการเวอร์โก้ (Virgo) ในยุโรปช่วงทศวรรษ 1990
โครงการ LIGO ได้รับทุนสนับสนุนหลักจาก National Science Foundation (NSF) โดยการก่อสร้างเริ่มต้นในช่วงต้นทศวรรษ 1990 โดยโครงการ LIGO มีทั้ง 2 แห่ง แห่งหนึ่งตั้งอยู่ที่แฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน ส่วนอีกแห่งที่ลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา ระบบ Initial LIGO ทั้งสองแห่งสร้างเสร็จและเริ่มดำเนินการเก็บข้อมูลครั้งแรกในปี ค.ศ.2002
Initial LIGO เก็บข้อมูลตลอดช่วงปี ค.ศ.2002 ถึง ค.ศ.2010 เพื่อค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงและแสดงขีดจำกัดความไวของเครื่องมือ ก่อนที่ระบบจะถูกปิดเพื่ออัพเกรดครั้งใหญ่เป็น Advanced LIGO ในช่วงปี ค.ศ.2010-2015
การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรก GW150914 เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 14 กันยายน ค.ศ.2015 โดย Advanced LIGO เหตุการณ์นี้เกิดจากการที่หลุมดำสองหลุมยุบรวมกันเป็นหลุมดำหลุมเดียว และปลดปล่อยพลังงานบางส่วนออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง
แง่มุมน่ารู้เกี่ยวกับรหัส GW150914 คือ GW ย่อจากคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational wave) และ 150914 คือวันที่พบในเวลา UTC ตามรูปแบบ YYMMDD (2015-09-14) รูปแบบ GWYYMMDD ใช้ตั้งชื่อเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงที่ยืนยันแล้วเป็นมาตรฐาน ส่วนการแจ้งเตือนเบื้องต้นและบางกรณีจะมีรหัสรูปแบบอื่นหรือส่วนขยายเพิ่มเติม
ในปี ค.ศ.2017 ไรเนอร์ ไวส์, แบร์รี แบริช (Barry Barish) และคิป ทอร์น (Kip Thorne) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันสำหรับการมีส่วนสำคัญต่อการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยโครงการ LIGO ซึ่งรวมถึงการพัฒนาแนวคิด การสร้างเครื่องตรวจจับ และการนำโครงการไปสู่ความสำเร็จในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง
ในปี ค.ศ.2017 โครงการ Virgo ของยุโรปได้เข้าร่วมกับโครงการ LIGO ทั้ง 2 แห่ง ทำให้ระบุตำแหน่งบนท้องฟ้าของสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วง GW170814 ได้แม่นยำขึ้นอย่างมาก
โครงการ KAGRA (KAmioka GRAvitational-wave detector) ของญี่ปุ่นได้เข้าร่วมเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายการสังเกตการณ์ LVK (LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration) อย่างเป็นทางการในปี ค.ศ.2021 โดยเริ่มการสังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์ครั้งแรกในต้นปี ค.ศ.2020 การเข้าร่วมของ KAGRA ช่วยเพิ่มจำนวนเครื่องตรวจจับทั่วโลก ส่งผลให้ระบุตำแหน่งบนท้องฟ้าได้แม่นยำขึ้นและขยายพื้นที่ครอบคลุมของสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วง
ในปี ค.ศ.2024 องค์การอวกาศยุโรป (ESA) ได้รับรองภารกิจ LISA (Laser Interferometer Space Antenna) อย่างเป็นทางการ LISA เป็นหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศที่จะตรวจจับคลื่นความถี่ต่ำจากแหล่งกำเนิดขนาดใหญ่ เช่น การรวมตัวของหลุมดำมวลมหาศาล โดยมีแผนเปิดตัวในช่วงต้นทศวรรษ 2030
หากมองภาพรวมราว 10 ปี นับตั้งแต่มีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งแรกใน ค.ศ.2015 จนถึงราวปลายปี ค.ศ.2025 (เดือนพฤศจิกายน) พบว่าเครือข่าย LVK มีรอบการตรวจจับ (Observing Run) ทั้งสิ้น 4 รอบหลัก ได้แก่ O1, O2, O3 และ O4 โดยแต่ละรอบมีผลงานดังสรุปไว้ในตารางที่แสดงไว้
สังเกตว่า หลังช่วงรอยต่อ O2 กับ O3 และ O2 กับ O4 จำนวนเหตุการณ์ที่ตรวจพบสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากมีการอัพเกรดอุปกรณ์ตรวจจับ, ปรับปรุงความไวในการตรวจจับสัญญาณ, ปรับปรุงระบบอัตโนมัติในการรับ วิเคราะห์ และส่งต่อข้อมูลตั้งแต่ขั้นต้นจนถึงขั้นตอนสุดท้าย รวมทั้งมีโครงการ Virgo และ KAGRA เข้าร่วม
ในบรรดากว่า 200 เหตุการณ์ที่ตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงได้ มีบางเหตุการณ์ที่โดดเด่น เช่น
GW150914 : ตรวจจับโดยตรงครั้งแรก สัญญาณเกิดจากการหลอมรวมของหลุมดำคู่ (Binary Black Hole, BBH) ให้กำเนิดดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง
GW170814 : ใช้เครื่องตรวจจับสามเครื่องเป็นครั้งแรก (LIGO สองเครื่อง + Virgo) ทำให้ระบุตำแหน่งบนท้องฟ้าแม่นยำขึ้นมาก
GW170817 : พบการหลอมรวมของดาวนิวตรอนคู่ (Binary Neutron Star, BNS) ครั้งแรก นำไปสู่การค้นพบการระเบิดที่เรียกว่า กิโลโนวา (Kilonova) ซึ่งให้กำเนิดธาตุหนัก เช่น ทอง และแพลทินัม อีกทั้งยังเป็นเหตุการณ์ดาราศาสตร์พหุพาหะครั้งแรก เพราะตรวจจับได้ทั้งคลื่นความโน้มถ่วงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
GW190412 : พบการหลอมรวมของหลุมดำคู่ที่มีมวลไม่สมมาตรอย่างชัดเจน (อัตราส่วนมวลประมาณ 4 : 1) ช่วยทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพในเงื่อนไขใหม่
GW190521 : พบการหลอมรวมที่ทำให้เกิดหลุมดำมวลปานกลาง (Intermediate?Mass Black Hole, IMBH) เป็นครั้งแรก โดยมีมวลประมาณ 142 เท่าของมวลดวงอาทิตย์
เหตุการณ์นี้ยังเกี่ยวข้องกับหลุมดำต้นกำเนิดที่มีมวลอยู่ในช่วงที่ทฤษฎีการยุบตัวของดาวยักษ์ทำนายว่าไม่ควรมีอยู่จริง เรียกว่า ช่องว่างมวลจากความไม่เสถียรแบบคู่ (pair?instability mass gap, ราว 65-120 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) เพราะดาวที่มีมวลในช่วงนี้ควรจะระเบิดเป็นซูเปอร์โนวาโดยไม่เหลือแกนดาวให้ยุบตัวเป็นหลุมดำ การค้นพบนี้จึงเป็นหลักฐานที่ท้าทายทฤษฎีเดิม และช่วยเปิดมุมมองใหม่ต่อการก่อกำเนิดและวิวัฒนาการของหลุมดำ
GW200105 และ GW200115 : พบการหลอมรวมระหว่างหลุมดำกับดาวนิวตรอน (Black Hole and Neutron Star, BHNS) ที่อยู่คู่กัน
ในปี ค.ศ.2025 มีการเฉลิมฉลองครบรอบ 10 ปีของ GW150914 ควบคู่ไปกับการจัดทำแค็ตตาล็อกการตรวจจับจากรอบ O4 ซึ่งคาดว่าจะเป็นแค็ตตาล็อกที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ และจะกลายเป็นฐานข้อมูลสำคัญสำหรับการวิจัยในทศวรรษที่สองของดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งจะช่วยมนุษย์รู้จักเอกภพอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้นนั่นเอง
