Newsletter subscribe

Origin and Evolution of The Universe, Universe

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#23 แหล่งกำเนิดและประเภทของคลื่นความโน้มถ่วง

Posted: 17/10/2020 at 15:13   /   by   /   comments (0)

คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Waves)

คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational waves) คือ ระลอกคลื่นในอวกาศ-เวลา (ripples in space-time) ซึ่งเกิดจากเหตุการณ์ที่รุนแรงในจักรวาล เช่น การรวมตัวของหลุมดำไบนารีหรือดาวนิวตรอนไบนารี คลื่นความโน้มถ่วงเป็นคำทำนายที่สำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) ที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) เสนอในปี 1915 ไอน์สไตน์ทำนายว่ามีบางสิ่งพิเศษเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของวัตถุมวลมาก 2 มวล เช่น หลุมดำหรือดาวนิวตรอน ที่โคจรรอบกันและกันมารวมตัวกัน  เขาเชื่อว่าเหตุการณ์แบบนี้อาจทำให้เกิดแรงกระเพื่อมในอวกาศ-เวลา ระลอกคลื่นเหล่านี้ซึ่งเดินทางด้วยความเร็วแสงจะกระจายออกไปเหมือนระลอกคลื่นในสระน้ำเมื่อก้อนหินถูกโยนลงไป 

เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่า มีคลื่นความโน้มถ่วงขนาดเล็กจำนวนมากเดินทางผ่านทั่วจักรวาลตลอดเวลา แม้นว่าแหล่งที่มาของคลื่นความโน้มถ่วงที่ใหญ่ที่สุด เช่น การชนกันของหลุมดำแบบหายนะ จะทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงที่ทรงพลังมหาศาล แต่เนื่องจากคลื่นนี้จะมีขนาดเล็กและอ่อนตัวลงไปตามเวลา เมื่อเดินทางมาถึงโลกพวกมันจะมีขนาดเล็กกว่านิวเคลียสของอะตอมหลายพันเท่า เล็กกว่านิวเคลียสของอะตอม เป็นเวลาหลายสิบปีที่ความสามารถในการวัดขนาดเล็กเช่นนี้เป็นไปไม่ได้

 

หอดูดาว LIGO (npr.org)

มีความพยายามมากมายในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ในอดีตนักวิทยาศาสตร์ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยวิธีทางอ้อมจากพัลซาร์ (pulsar) ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนประเภทหนึ่งที่หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูงมากและมีสนามแม่เหล็กที่ทรงพลัง จนกระทั่งในปี 2015 มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงบนโลกได้เป็นครั้งแรก หลังการทำนายของไอน์สไตน์เมื่อ 100 ปีก่อน โดยหอดูดาว LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory) สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่านมายังโลก คลื่นความโน้มถ่วงแรกที่ตรวจจับได้นี้ เกิดขึ้นจากการรวมตัวกันของหลุมดำไบนารี (binary black hole) ที่อยู่ห่างไกลและมีขนาดใหญ่ เคลื่อนที่มาชนและรวมตัวกันเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อน แต่ระลอกคลื่นพึ่งเดินทางมาถึงโลกในปี 2015 

การตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรกนี้ ถือเป็นจุดสุดยอดของความพยายามเกือบครึ่งศตวรรษของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรกว่า 1200 คนของ LIGO/Virgo Collaboration คลื่นความโน้มถ่วงได้เปิด “หน้าต่าง” ใหม่ของการศึกษาจักรวาล และยังเป็นจุดเริ่มต้นของดาราศาสตร์สาขาใหม่ นั่นคือ “ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational wave astronomy)” ซึ่งเปิดตัวเมื่อปี 2015 การศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงจะเปิดเผยกระบวนการภายในของเหตุการณ์ที่รุนแรงที่สุดในจักรวาล เช่น การรวมตัวของหลุมดำ การชนกันของดาวนิวตรอน และการระเบิดของซูเปอร์โนวา นอกจากนี้คลื่นความโน้มถ่วงทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถมองย้อนกลับไปถึงจักรวาลยุคแรกหลังการระเบิดบิกแบง (Big Bang) ไม่นาน

ที่สำคัญกว่านั้นเนื่องจากคลื่นความโน้มถ่วงมีปฏิสัมพันธ์กับสสารอย่างอ่อนมาก (ซึ่งแตกต่างจากการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสามารถดูดซึม สะท้อน หักเห หรือโค้งงอได้) พวกมันจึงเดินทางผ่านจักรวาลโดยไม่มีข้อ จำกัด ทำให้เรามองเห็นจักรวาลของคลื่นความโน้มถ่วงได้ชัดเจน คลื่นนำข้อมูลเกี่ยวกับต้นกำเนิดของพวกมันที่ปราศจากการบิดเบือนหรือการเปลี่ยนแปลง ขณะที่มันเคลื่อนที่ผ่านอวกาศระหว่างกาแล็กซี่

การตรวจจับและวิเคราะห์ข้อมูลที่เกิดจากคลื่นความโน้มถ่วง ทำให้เราสามารถสังเกตจักรวาลได้ในแบบที่ไม่เคยมีมาก่อน ทำให้นักดาราศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้เห็นสิ่งมหัศจรรย์ที่มองไม่เห็นเป็นครั้งแรก LIGO/Virgo Collaboration ได้ลบม่านแห่งความลึกลับบนจักรวาล และได้นำการวิจัยใหม่ที่น่าตื่นเต้นในด้านดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง และเปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์ได้ทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในรูปแบบใหม่ๆ

 

 

Calum Scott – Rhythm Inside (YouTube)

 

 

แหล่งกำเนิดและประเภทของคลื่นความโน้มถ่วง

วัตถุขนาดใหญ่ทุกชิ้นที่เร่งความเร็วจะก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational waves) ซึ่งรวมถึงมนุษย์ รถยนต์ เครื่องบิน ฯลฯ แต่มวลและความเร่งของวัตถุบนโลกนั้นเล็กเกินไปที่จะทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงที่จะตรวจจับด้วยเครื่องมือที่มีอยู่บนโลกได้ ในการค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงที่ใหญ่เพียงพอ เราต้องมองไกลออกไปนอกระบบสุริยะของเราเอง

นักวิทยาศาสตร์ของ LIGO ได้จำแนกคลื่นความโน้มถ่วงที่แตกต่างกันออกเป็น 4 ประเภทดังต่อไปนี้

 

(1) Compact Binary Inspiral Gravitational Waves

การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Waves; GW) ครั้งแรกจากการรวมตัวกันของหลุมดำสองหลุมในปี 2015 โดยเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง Laser  Interferometers ของ LIGO ถือเป็นจุดเริ่มต้นของดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง ตั้งแต่นั้นมาเพียงไม่กี่ปีมีการตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมตัวของหลุมดำไบนารี (Binary black hole) 20 รายการ และจากการรวมตัวของดาวนิวตรอนไบนารี (Binary neutron star) 2 รายการ และอีก 1 รายการเป็นตัวอย่างแรกที่น่าสงสัยของการรวมตัวระหว่างหลุมดำกับดาวนิวตรอน จนถึงขณะนี้วัตถุทั้งหมดที่ LIGO ตรวจพบอยู่ในหมวดหมู่นี้ คู่ไบนารีแต่ละคู่สร้างรูปแบบเฉพาะของคลื่นความโน้มถ่วง แต่กลไกของการสร้างคลื่นนั้นเหมือนกัน

 

Sound of Two Black Holes Colliding

 

วัตถุเหล่านี้โคจรรอบกันและกันเป็นเวลาหลายพันล้านปี ในช่วงแรกของสัญญาณคลื่น หลุมดำหรือดาวนิวตรอนทั้งสองจะหมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลของพวกมัน และโคจรเข้าหากันและกันใกล้ขึ้นเรื่อยๆ และตกลงมาเป็นเกลียว (inspiral) ขณะเคลื่อนตัวเข้าหากันด้วยอัตราเร่ง กระบวนการหมุนและตกลงมาเป็นเกลียวแบบเร่งความเร็วนี้ คล้ายคลึงการหมุนตัวของสเก็ตลีลา ลองนึกภาพว่ามือที่เหยียดออกไปของนักเล่นสเก็ต คือดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ และร่างกายของผู้เล่นสเก็ตเป็นแรงโน้มถ่วงที่มัดมือทั้งสองเข้าด้วยกัน ในขณะที่นักสเก็ตหมุนมือเข้าหาตัวของพวกเขา เช่น เมื่อวัตถุโคจรเข้ามาใกล้มากขึ้น พวกมันจะหมุนเร็วขึ้นและเร็วขึ้น อย่างไรก็ตามสิ่งที่แตกต่างจากนักเล่นสเก็ต คือดาวนิวตรอนหรือหลุมดำทั้งคู่ไม่สามารถหยุดการหมุนของพวกมันได้ การโคจรเข้ามาใกล้มากขึ้น ซึ่งจะจบลงด้วยการที่วัตถุทั้งสองชนกัน และปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วงที่มีขนาดและความถี่สูงสุดในเสี้ยววินาทีสุดท้าย และสิ่งที่เหลืออยู่ก็คือหลุมดำหรือดาวนิวตรอนเดี่ยวขนาดใหญ่

หลุมดำเป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นมาก การหมุนตัวมาชนและรวมตัวกันจะรวดเร็วกว่าวัตถุที่เบากว่า เช่นดาวนิวตรอน ดังนั้นสัญญาณการรวมตัวกันของหลุมดำที่ LIGO ตรวจจับได้จะสั้นกว่าสัญญาณการรวมตัวกันของดาวนิวตรอนมากและมีความแตกต่างนั้นค่อนข้างโดดเด่น ตัวอย่างเช่นหลุมดำคู่แรกที่ LIGO ตรวจพบในปี 2015 สัญญาณยาวเพียง 2 ใน 10 ของวินาที ในทางตรงกันข้ามการควบรวมดาวนิวตรอนครั้งแรกที่ LIGO ตรวจพบในเดือนสิงหาคม 2017 ทำให้เกิดสัญญาณยาวกว่า 100 วินาที

 

บางส่วนของสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจจับได้ สิบภาพแรกเป็นสัญญาณคลื่นที่เกิดจากการรวมตัวกันของหลุมดำไบนารี ส่วนภาพสุดท้ายเป็นสัญญาณคลื่นที่เกิดจากการรวมตัวกันของดาวนิวตรอนไบนารี

 

 

ILLENIUM – Crashing ft. Bahari (YouTube)

 

 

(1.1) Gravitational Waves From Binary Black Hole Mergers

หลุมดำซึ่งเป็นวัตถุที่มีมวลอัดแน่นและมีความโน้มถ่วงสูงเป็นอนันต์ ดูดกลืนทุกสิ่ง ไม่มีสิ่งใดสามารถรอดพ้นจากหลุมดำได้ แม้แต่แสงก็ไม่สามารถที่หลุดเล็ดลอดออกมาได้

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้ทำนายการมีอยู่ของหลุมดำครั้งแรกในปี 201ุ6 ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา หลังจากหลายทศวรรษของหลุมดำที่รู้จักกันในทางทฤษฎีเท่านั้น ในปี 1971 ได้มีการค้นพบหลุมดำหลุมแรก จากนั้นในปี 2019 โครงการความร่วมมือทางดาราศาสตร์ระดับนานาชาติ Event Horizon Telescope (EHT) ได้เผยภาพแรกของหลุมดำที่อยู่ใจกลางกาแลคซี M87

 

aasnova.org

หลุมดำไบนารี่ (ฺBinary black hole) เป็นระบบที่ประกอบด้วยหลุมดำสองหลุมในวงโคจรใกล้กัน หลายปีที่ผ่านมาการพิสูจน์การมีอยู่ของหลุมดำแบบไบนารีนั้นทำได้ยาก เนื่องจากธรรมชาติของหลุมดำเองและวิธีการตรวจจับที่มีอยู่จำกัด อย่างไรก็ตามในกรณีที่หลุมดำคู่หนึ่งจะรวมเข้าด้วยกันควรให้พลังงานจำนวนมหาศาลเป็นคลื่นความโน้มถ่วง โดยมีรูปคลื่นเฉพาะที่สามารถคำนวณได้โดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) การรวมตัวของหลุมดำแบบไบนารีเป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งที่สุดในจักรวาล

 

GW190521: A “Bang” in LIGO and Virgo Detectors Signals: Most Massive Binary Black Hole Merger

scitechdaily.com

Numerical simulation of a heavy black-hole merger (GW190521)

 

จากความร่วมมือระหว่างประเทศของ LIGO/Virgo ซึ่งรวมถึงคณาจารย์จากมหาวิทยาลัย Montclair State รัฐนิวเจอร์ซีย์ สหรัฐอเมริกา ได้ตรวจพบสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงจากการรวมตัวของหลุมดำ 2 หลุมที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่สังเกตได้

คลื่นความโน้มถ่วงจาก GW190521 ถูกตรวจพบเมื่อวันที่ 21 พฤษภาคม 2019 โดยเครื่องตรวจจับ LIGO สองตัวที่อยู่ในเมืองลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา และเมืองฮันฟอร์ด รัฐวอชิงตัน สหรัฐอเมริกา และเครื่องตรวจจับ Virgo ซึ่งตั้งอยู่ใกล้เมืองปิซา ประเทศอิตาลี  GW190521 เป็นหนึ่งในสามการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงล่าสุดที่ท้าทายความเข้าใจเกี่ยวกับหลุมดำในปัจจุบัน และอนุญาตให้นักวิทยาศาสตร์ทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในรูปแบบใหม่ๆ อีกสองเหตุการณ์ได้แก่ การรวมตัวของหลุมดำสองหลุมที่มีมวลแตกต่างกันอย่างชัดเจน และการรวมตัวระหว่างหลุมดำกับวัตถุลึกลับซึ่งอาจเป็นหลุมดำที่เล็กที่สุดหรือดาวนิวตรอนที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสังเกตมา ทั้งสามเหตุการณ์เป็นเรื่องแปลกใหม่ที่มีมวลหรืออัตราส่วนมวลที่นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยเห็นมาก่อน

สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกตรวจพบ GW190521 ไม่ได้เป็นเสียงร้องเจื้อยแจ้วที่มักตรวจพบได้ แต่เป็นเสียง “ปัง (Bang)” ในช่วงระยะเวลาสั้นมากโดยใช้เวลาน้อยกว่า 0.1 วินาที และเป็นสัญญาณที่ใหญ่ที่สุดที่ LIGO และ Virgo เคยตรวจจับ คลื่นความโน้มถ่วงนี้สร้างขึ้นจากหลุมดำสองหลุมที่ชนกันห่างออกไปประมาณ 17 พันล้านปีแสง ทำให้เป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงที่อยู่ไกลที่สุดเท่าที่ตรวจพบ การรวมตัวกันของหลุมดำไบนารีซึ่งมีมวลประมาณ 85 และ 66 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ได้สร้างหลุมดำที่มีขนาดใหญ่ซึ่งมีมวลประมาณ 142 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และปล่อยพลังงานมหาศาลเทียบเท่ากับพลังงานของดวงอาทิตย์ 8 ดวง กระจายไปทั่วจักรวาลในรูปของคลื่นความโน้มถ่ว

การค้นพบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเป็นหลักฐานที่ดีที่สุดสำหรับ “หลุมดำมวลปานกลาง (intermediate-mass black hole)” ซึ่งขนาดของมวลอยู่ระหว่าง 100-1,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ นักวิทยาศาสตร์ค้นหาหลุมดำมวลปานกลางมานานแล้ว ตอนนี้มีหลักฐานแล้วว่าหลุมดำมวลปานกลางมีอยู่จริง ในกรณีนี้คือหลุมดำที่มีมวล 142 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ที่เกิดจากการรวมตัวกันของหลุมดำไบนารี 

สำหรับมวลของหลุมดำที่ใหญ่กว่าในหลุมดำไบนารีนี้ ที่มีมวล 85 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ นักวิทยาศาสตร์ระบุว่า “ดูเหมือนว่าจะมีมวลมากเกินไปที่จะก่อตัวขึ้นจากดาวฤกษ์ที่ยุบตัวลงดวงเดียว ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดหลุมดำโดยทั่วไป” ตามความเข้าใจในปัจจุบัน ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 65 ถึง 135 เท่าจะไม่พังทลายกลายเป็นหลุมดำเมื่อพวกมันตาย ดังนั้นดาวที่มีมวลมากขนาดนี้ไม่น่าจะก่อตัวเป็นหลุมดำได้ สถานการณ์ที่เป็นไปได้อย่างหนึ่งคือ หลุมดำที่มีมวล 85 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ อาจเป็นผลมาจาก “การรวมตัวกันของหลุมดำก่อนหน้านี้” 

 

GW190412: The First Observation Of An Unequal-Mass Binary Black Hole Merger

Numerical simulation of a black-hole merger with asymmetric masses and orbital precession (GW190412)

 

เหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรก GW150914 ที่ตรวจพบในปี 2015  เกิดจากการรวมตัวกันหลุมดำไบนารี และตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาเหตุการณ์ประเภทนี้ได้กลายเป็นเหตุการณ์ที่โดดเด่นที่สุด อย่างไรก็ตามเกือบทุกระบบที่สังเกตได้ประกอบด้วยหลุมดำที่มีมวลเกือบเท่ากัน แต่ตอนนี้นักวิจัยได้เผยแพร่สัญญาณที่น่าทึ่งซึ่งแตกต่างจากที่เคยเห็นมาก่อน: GW190412 เป็นสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจพบโดยเครื่องตรวจจับ LIGO สองตัว และ Virgo เมื่อวันที่ 12 เมษายน 2019 เป็นการตรวจจับครั้งแรกของการรวมตัวของหลุมดำแบบไบนารี ซึ่งหลุมดำทั้งสองมีมวลแตกต่างกันมากประมาณ 8 และ 30 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ เป็นผลให้สัญญาณแสดงความถี่ที่โดดเด่น 2 ความถี่

การชนกันเกิดขึ้นห่างออกไป 2.4 พันล้านปีแสง หลุมดำที่หนักกว่านั้นมีมวล 30 เท่าของมวลดวงอาทิตย์และส่วนที่เบากว่าประมาณ 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ความแตกต่างของมวลส่งผลให้คลื่นความโน้มถ่วงมีความถี่ที่แตกต่างกันสองความถี่ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดคุณสมบัติหลายอย่างของระบบได้อย่างแม่นยำมากขึ้น ไม่ว่าการวัดระยะทางของแหล่งกำเนิด มุมที่มอง และความเร็วที่หลุมดำหนักหมุนรอบแกนของมัน แต่ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ LIGO/Virgo สามารถตรวจสอบการทำนายของ Einstein ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ยังไม่ผ่านการทดสอบ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ทำนายว่า ระบบไบนารีที่มีมวลไม่เท่ากันอย่างชัดเจนจะสร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่มีฮาร์มอนิกที่สูงขึ้น และนี้คือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตได้เป็นครั้งแรก

“เป็นครั้งแรกที่เราได้ยินเสียงฮัมเพลงของคลื่นความโน้มถ่วงที่ไม่ผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกที่สูงขึ้น ซึ่งคล้ายกับเสียงหวือหวาของเครื่องดนตรีที่เราไม่เคยได้ยินมาก่อน” ใน GW190412  Frank Ohme หัวหน้ากลุ่มวิจัยอิสระ ที่ Max Planck Institute for Gravitational Physics อธิบาย ข้อสังเกตนี้ยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งทำนายการมีอยู่ของเสียงฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นเหล่านี้

 

 

The Temper Trap – Sweet Disposition (YouTube)

 

 

(1.2) Gravitational Waves From Binary Neutron Star Mergers

 

npr.org

นักวิทยาศาสตร์รู้จักระบบดาวนิวตรอนแบบไบนารี (Binary neutron star) เพียง 17 คู่ในกาแลคซีของเรา และได้วัดมวลรวมของดาวนิวตรอนคู่เหล่านี้ มีค่าตั้งแต่ 2.5 ถึง 2.9 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ เมื่อดาวนิวตรอนสองดวงหมุนรอบกันและกัน และในที่สุดมาชนและรวมตัวกันอย่างรุนแรง ซึ่งส่งผลให้เกิดคลื่นโน้มถ่วงที่สั่นสะเทือนผ่านผืนผ้าของอวกาศและเวลา (space-time fabric) 

การชนและรวมตัวกันของดาวนิวตรอนไบนารี่ถูกตรวจพบโดยตรงครั้งแรกในเดือนสิงหาคม 2017 โดยเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง LIGO ทั้งสองเครื่องที่เมืองลิฟวิงสตัน รัฐหลุยเซียน่า และที่เมืองแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน ในสหรัฐอเมริกา และเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง Virgo ในอิตาลี เหตุการณ์นี้มีชื่อว่า GW170817 ดาวนิวตรอนรวมตัวกันห่างออกไปประมาณ 130 ล้านปีแสง ซึ่งหมายความว่าพวกมันชนกันเมื่อไดโนเสาร์ยังคงสัญจรไปมาบนโลก และคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากเหตุการณ์ GW170817 พึ่งเดินทางมาถึงโลกเมื่อวันที่ 17 สิงหาคม 2017

ในขณะเดียวกันการชนกันของดาวนิวตรอนทำให้เกิดการระเบิดของรังสีแกมม่าสั้นๆ สังเกตเห็นเป็นแสงแฟลชบนโลกประมาณ 2 วินาทีหลังจากการมาถึงของคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งตรวจพบโดย Gamma-ray Burst Monitor บนกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Fermi ของ NASA ถือเป็นครั้งแรกที่ตรวจพบทั้งคลื่นความโน้มถ่วงและแสงจากเหตุการณ์เดียวกัน 

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่า การระเบิดของรังสีแกมมาในระยะสั้นนั้นเกิดจากการรวมตัวของดาวนิวตรอน ตอนนี้ด้วยข้อมูลที่น่าทึ่งจาก LIGO และ Virgo นักวิทยาศาสตร์ได้คำตอบแล้ว วัตถุที่มารวมกันมีมวลที่สอดคล้องกับดาวนิวตรอน พร้อมทั้งก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงและแสงแฟลชของรังสีแกมมา สิ่งเหล่านี้บอกได้ว่าวัตถุนั้นไม่น่าจะเป็นหลุมดำ เนื่องจากมีการคาดกันว่าการชนกันของหลุมดำจะไม่ทำให้เกิดแสงได้

 

(1.3) Gravitational Waves From Black Hole-Neutron Star Mergers?

Simulation of the Neutron Star Coalescence GW190425

 

เมื่อวันที่ 25 เมษายน 2019 เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง LIGO ในเมืองลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา สหรัฐอเมริกา ได้ตรวจพบสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงจากการรวมกันของวัตถุขนาดเล็กคู่หนึ่งที่อยู่ห่างออกไปประมาณ 520 ล้านปีแสง เหตุการณ์นี้มีชื่อว่า GW190425  การสังเกตการณ์นี้ถูกตรวจจับโดยเครื่องตรวจจับเพียงเครื่องเดียว เนื่องจากเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง LIGO ในเมืองแฮนฟอร์ดออฟไลน์อยู่ในขณะนั้น และเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง Virgo ในอิตาลีไม่ได้ตรวจพบ 

 

quantamagazine.org

จากการวิเคราะห์ข้อมูล ทีมงานระหว่างประเทศรวมถึงนักวิจัยของมหาวิทยาลัย Penn State ระบุว่ามวลแต่ละก้อนของวัตถุที่มาชนกันน่าจะตรงกับดาวนิวตรอนมากที่สุด และคลื่นความโน้มถ่วง GW190425 น่าจะเกิดจากการชนกันของดาวนิวตรอนสองดวง นี่เป็นครั้งที่สองของเหตุการณ์ประเภทนี้ที่ถูกสังเกตผ่านคลื่นความโน้มถ่วง อย่างไรก็ตามการชนกันครั้งนี้ทำให้เกิดวัตถุที่มีมวลสูงผิดปกติประมาณ 3.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ในขณะที่ระบบดาวนิวตรอนคู่ (Binary neutron star) อื่นๆ ที่เรารู้จักในกาแลคซีทางช้างเผือก มีมวลรวมกันไม่เกิน 2.9 เท่าของดวงอาทิตย์ ทำไม GW190425 จึงหนักมาก มวลที่สูงอย่างไม่คาดคิดของ GW190425 อาจชี้ไปยังระบบดาวนิวตรอนคู่แบบใหม่

คำอธิบายที่เป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งสำหรับมวลที่สูงผิดปกติ นั่นคือการชนกันไม่ได้เกิดขึ้นระหว่างดาวนิวตรอนสองดวง แต่เป็นการชนกันของดาวนิวตรอนและหลุมดำ เนื่องจากหลุมดำมีน้ำหนักมากกว่าดาวนิวตรอน แต่ถ้าเป็นในกรณีนี้ หลุมดำจะต้องมีขนาดเล็กเป็นพิเศษ คู่หูนี้อาจเป็นดาวนิวตรอนที่หนักที่สุดหรือหลุมดำที่เบาที่สุดที่เคยค้นพบ และการชนกันครั้งนี้ไม่ได้ตรวจพบแสงใดๆ เหมือนคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจพบครั้งแรกเมื่อปี 2017 ที่พบทั้งคลื่นความโน้มถ่วงและแสงจากเหตุการณ์เดียวกัน  อย่างไรก็ตามหลังการศึกษาใหม่ นักวิทยาศาสตร์ให้น้ำหนักไปที่ GW190425 มีความเป็นไปได้มากกว่าที่เป็นการชนกันของดาวนิวตรอนสองดวง แต่ยังไม่ฟันธง

 

 

Martin Jensen, Bjørnskov – Somebody I’m Not (Youtube)

 

 

(2) Continuous Gravitational Waves

       

ดาวนิวตรอน (Neutron star) เป็นซากที่หลงเหลือของดาวฤกษ์ที่กำลังจะตาย เมื่อพวกมันยุบตัวลงในช่วงสุดท้ายของชีวิตและเกิดการระเบิดครั้งใหญ่ที่เรียกว่า ซูเปอร์โนวา (Supernova) ดาวนิวตรอนเป็นดาวที่มีขนาดเล็กที่สุดแต่มีความหนาแน่นสูงที่สุด โดยทั่วไปแล้วพวกมันมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 40% แต่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 20 กิโลเมตรเท่านั้น จนถึงปัจจุบันมีการค้นพบดาวนิวตรอนส่วนใหญ่ผ่านการเต้นเป็นจังหวะ ซึ่งเป็นผลมาจากการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบลำแสงของพวกมันที่กวาดผ่านโลกเป็นระยะๆ ด้วยเหตุนี้จึงมักเรียกว่าพัลซาร์ (Pulsar) อย่างไรก็ตามเชื่อกันว่ามีดาวนิวตรอนประมาณ 100 ล้านดวงในกาแลคซีทางช้างเผือกของเรา แต่จนถึงขณะนี้มีการตรวจพบได้เพียง 3,000 ดวงเท่านั้น ส่วนใหญ่ของดาวนิวตรอนอยู่ตามลำพัง ในขณะที่ดาวนิวตรอนบางดวงอยู่ใน “ระบบดาวคู่ (Binary system)” ที่โคจรรอบกันและกัน

คลื่นความโน้มถ่วงต่อเนื่องถูกสร้างขึ้นโดยดาวดวงเดียวที่หมุนวนรอบแกนของมันอย่างรวดเร็ว เช่น ดาวนิวตรอน โดยมีภูเขาขนาดใหญ่หรือความไม่สมบูรณ์ใดๆ ในรูปทรงกลมของดาวดวงนี้ การหมุนรอบแกนของมันอย่างรวดเร็ว การกระแทกใดๆ บนพื้นผิวของมันจะปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมา หากอัตราการหมุนของดาวคงที่ คลื่นความโน้มถ่วงที่มันปล่อยออกมาก็เช่นกัน นั่นคือคลื่นความโน้มถ่วงจะมีความถี่และแอมพลิจูดเดียวกันอย่างต่อเนื่อง (เหมือนนักร้องที่ร้องโน้ตตัวเดียว) จึงเรียกคลื่นเหล่านี้ว่า “คลื่นความโน้มถ่วงต่อเนื่อง (Continuous gravitational waves)

ดาวนิวตรอนเดี่ยวที่หมุนอย่างรวดเร็วนั้นจะปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงได้ไกลกว่ามากและใช้เวลานานกว่ามาก สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงต่อเนื่องจะแตกต่างจากสัญญาณที่ตรวจพบ คลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศมีหลายรูปแบบ จนถึงขณะนี้สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงระยะสั้นเพียงไม่กี่วินาทีได้รับการสังเกตจากการชนกันของหลุมดำและการชนกันของดาวนิวตรอน แต่นักวิทยาศาสตร์คาดว่าจะพบคลื่นความโน้มถ่วงชนิดอื่นๆได้แก่ คลื่นความโน้มถ่วงจากดาวนิวตรอนเดี่ยวที่มีสัญญาณยาวนาน 

นักวิทยาศาสตร์ต้องการรู้จักดาวนิวตรอนเดี่ยวส่วนใหญ่ที่ยังมองไม่เห็นนี้โดยการตรวจจับการปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงอย่างต่อเนื่องของพวกมัน สิ่งนี้จะช่วยให้มองเห็นจำนวนประชากรที่มองไม่เห็นของดาวนิวตรอนที่อาศัยอยู่ในกาแล็กซี่ของเรา ปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิวัฒนาการและประชากรของดาวฤกษ์และให้ความกระจ่างเกี่ยวกับโครงสร้างภายใน และการวิวัฒนาการของวัตถุพิเศษเหล่านี้ 

ปัจจุบันยังไม่มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงต่อเนื่องที่เกิดจากดาวนิวตรอนดวงเดียวที่หมุนรอบแกน การค้นหาคลื่นเหล่านี้เป็นเรื่องยากมากและถูกจำกัดด้วยพลังคอมพิวเตอร์ที่ใช้สำหรับการค้นหาในปัจจุบัน เนื่องจากไม่ทราบตำแหน่งบนท้องฟ้าของดาว อัตราการหมุนของดาว และการเปลี่ยนรูปของมันที่ทำให้เกิดการปล่อยคลื่นความโน้มถ่วง

 

(3) Stochastic Gravitational Waves 

 

นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่า มีคลื่นความโน้มถ่วงขนาดเล็กจำนวนมากมาจากทุกทิศทุกทางและเคลื่อนผ่านไปทั่วทั้งจักรวาลตลอดเวลาและผสมกันแบบสุ่ม (ทำให้เกิดสัญญาณที่สับสนในเครื่องตรวจจับ) คลื่นขนาดเล็กเหล่านี้เรียกว่า คลื่นความโน้มถ่วงแบบสุ่ม “Stochastic gravitational waves” ซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยการซ้อนทับของแหล่งกำเนิดอิสระจำนวนมาก นักวิทยาศาสตร์คาดว่าการขยายตัวและพองตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาล (Inflation) ซึ่งกินเวลาตั้งแต่ 10-35 วินาที ถึง 10-32 วินาทีหลังการระเบิดครั้งใหญ่บิกแบง (Big Bang) เป็นแหล่งกำเนิดหลักในการสร้างคลื่นความโน้มถ่วงแบบสุ่มจำนวนมาก สิ่งนี้เป็นไปตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (Einstein’s theory of general relativity; 1915) ซึ่งทำนายว่าวัตถุที่เร่งความเร็วจะปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมา

จักรวาลที่ขยายตัวออกอย่างรวดเร็วมีส่วนช่วยในการแผ่คลื่นเหล่านี้ออกไปทั่วทั้งจักรวาล  เสียงคลื่นความโน้มถ่วงแบบสุ่มเหล่านี้จะก่อให้เกิดเสียงดังต่อเนื่อง (เหมือนกับไฟฟ้าสถิต) และจะเหมือนกันทั่วทั้งจักรวาล การสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงล่าสุดโดยเครื่องตรวจจับ Advanced LIGO และ Advanced Virgo บ่งชี้ว่ายังมีคลื่นความโน้มถ่วงแบบสุ่มที่ถูกสร้างขึ้นโดยการรวมตัวของหลุมดำไบนารี (ฺฺBinary black hole merger) และการรวมตัวของดาวนิวตรอนแบบไบนารี (Binary neutron star  merger)

คลื่นความโน้มถ่วงแบบสุ่ม “Stochastic gravitational waves” เป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกสร้างในจักรวาลยุคแรก เป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่เล็กที่สุดและยากที่สุดในการตรวจจับ การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงแบบสุ่ม จะช่วยให้เรามองย้อนกลับไปถึงจุดเริ่มต้นของการพองตัวของจักรวาล (Inflation) ซึ่งไม่สามารถเข้าถึงได้ด้วยวิธีการอื่นใด หากสามารถตรวจจับคลื่นเหล่านี้ได้ จะเป็นการปฏิวัติมากกว่าการทำแผนที่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background; CMB) ซึ่งเป็นแสงที่ระลึกจากการที่จักรวาลในยุคแรกเย็นตัวลง

 

 

 

Avicii – Heaven (YouTube)

 

 

(4) Burst Gravitational Waves

เมื่อวันที่ 14 มกราคม 2020 เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง  Laser Interferometers  ของ LIGO และ Virgo ได้บันทึกการระเบิดของคลื่นความโน้มถ่วงเพียง 14 มิลลิวินาทีเท่านั้น และนักดาราศาสตร์ยังไม่สามารถระบุสาเหตุของการระเบิด แต่การระเบิดของคลื่นความโน้มถ่วง (A burst of gravitational waves) ที่บันทึกได้เกิดขึ้นใกล้กับดาวบีเทลจุส (Betelgeuse) ซึ่งเป็นดาวยักษ์ใหญ่แดงที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1000 เท่าของดวงอาทิตย์ อยู่ห่างไกลออกไปจากโลก 640 ปีแสง มีอายุประมาณแปดล้านปี นักดาราศาสตร์บางคนตั้งสมมติฐานว่านี่อาจเป็นสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากดาว Betelgeuse ซึ่งเมื่อไม่นานมานี้ดาวดวงนี้ “ทำตัวแปลกๆ” กลายเป็นแสงสลัวกว่าที่เป็นมาในช่วงไม่กี่สัปดาห์ที่ผ่านมา ทำให้บางคนสงสัยว่ากำลังจะระเบิดซูเปอร์โนวาหรือไม่ นักดาราศาสตร์หลายคนคิดว่าพวกเขากำลังจะได้เห็นการตายของดาว Betelguese แต่มันยังคงอยู่ที่นั่น และนักดาราศาสตร์ Andy Howell กล่าวว่าไม่น่าจะเป็น Betelgeuse ระเบิด เพราะคลื่นแรงโน้มถ่วงสั้นเกินไป ดังนั้นจึงไม่น่าใช่สถานการณ์นี้ 

นอกจากนี้ การระเบิดของคลื่นความโน้มถ่วงนี้ไม่น่าจะใช่คลื่นความโน้มถ่วงจากการชนกันของวัตถุขนาดใหญ่ เช่น หลุมดำหรือดาวนิวตรอน ที่สัญญาณคลื่นจะกินเวลาได้นานกว่า และแสดงให้เห็นข้อมูลเป็นชุดของคลื่นที่เปลี่ยนความถี่เมื่อเวลาผ่านไป เมื่อวัตถุโคจรทั้งสองเคลื่อนที่เข้าใกล้กัน สัญญาณใหม่นี้ไม่ได้เป็นชุดของคลื่น แต่เป็นการระเบิดธรรมดา ความเป็นไปได้อีกประการหนึ่งก็คือ การระเบิดของคลื่นความโน้มถ่วงในช่วงสั้นๆ นี้อาจมาจากเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นชั่วคราว เช่น เช่น การระเบิดของซูเปอร์โนวา หรือ การระเบิดของรังสีแกมมา (Gamma-ray burst) 

LIGO และ Virgo กำลังค้นหา “คลื่นความโน้มถ่วงระเบิด (Burst gravitational waves)” ซึ่งยังไม่ถูกตรวจพบ ยังมีสิ่งที่ไม่รู้จักอีกมากมายที่นักวิทยาศาสตร์ไม่รู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้น 

 

 

Felix Jaehn – Bonfire (feat. ALMA) (YouTube)