วอชิงตัน— ในที่สุดตัวสั่นในโครงสร้างจักรวาลของอวกาศและเวลาก็ถูกตรวจพบ เปิดเส้นทางใหม่ในการสำรวจจักรวาล
การค้นพบครั้งประวัติศาสตร์ของแรงสั่นสะเทือนเหล่านี้ หรือที่เรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วง เกิดขึ้นเกือบหนึ่งศตวรรษพอดีหลังจากที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ค้นพบการดำรงอยู่ของพวกมันเป็นครั้งแรก นักวิจัยจากหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงเลเซอร์ขั้นสูงหรือ LIGO ขั้นสูง ได้ประกาศการตรวจจับน้ำอสุจิเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ในงานแถลงข่าวและในกระดาษในจดหมายทบทวนทางกายภาพ- การบวมแรงโน้มถ่วงเกิดขึ้นห่างออกไปมากกว่า 750 ล้านปีแสง โดยที่การเต้นด้วยความเร็วสูงของหลุมดำสองแห่งที่มาบรรจบกันทำให้รากฐานที่ดาวเคราะห์ ดวงดาว และกาแล็กซีอาศัยอยู่นั้นสั่นสะเทือน
“นี่เป็นครั้งแรกที่จักรวาลสื่อสารกับเราผ่านคลื่นความโน้มถ่วง” David Reitze ผู้อำนวยการบริหารห้องปฏิบัติการ LIGO กล่าวในการแถลงข่าว
การค้นพบนี้มีโอกาสเข้าชิงรางวัลโนเบลทันที และไม่ใช่เพียงเพราะมันเชื่อมโยงหลักฐานที่สนับสนุนการทำนายทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในปี 1915 ที่สำคัญ “คลื่นความโน้มถ่วงช่วยให้เรามองจักรวาลได้ไม่เพียงแค่ด้วยแสงเท่านั้น แต่ด้วยแรงโน้มถ่วง” เชน ลาร์สัน นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์นในเมืองเอวานสตัน รัฐอิลลินอยส์ กล่าว คลื่นความโน้มถ่วงสามารถเปิดเผยรายละเอียดที่เต็มไปด้วยเลือดของหลุมดำและปรากฏการณ์สุดขั้วอื่นๆ ที่สามารถทำได้ ไม่สามารถหาได้จากกล้องโทรทรรศน์แบบเดิมๆ ด้วยการค้นพบนี้ ยุคของดาราศาสตร์คลื่นโน้มถ่วงได้เริ่มต้นขึ้นแล้ว
การตรวจจับเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 14 กันยายน พ.ศ. 2558 หรือสี่วันก่อนเริ่มการสำรวจอย่างเป็นทางการสำหรับหอสังเกตการณ์ที่ปรับปรุงใหม่ ทองคำที่พุ่งทะยานอย่างรวดเร็วทำให้เกิดความหวังในการพบเห็นที่วุ่นวายที่กำลังจะเกิดขึ้น
การระเบิดของคลื่นที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมายังโลกหลังจากหลุมดำ 2 หลุม หลุมหนึ่งมีมวลประมาณ 36 เท่าของดวงอาทิตย์ และอีกหลุมหนึ่งมีมวลประมาณ 29 เท่า หมุนวนเข้าหากันและรวมตัวกัน ถ้าไอแซก นิวตันพูดถูกเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง มวลของหลุมดำทั้งสองคงจะออกแรงที่มองไม่เห็นเพื่อดึงวัตถุต่างๆ เข้าด้วยกัน แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยืนยันว่าหลุมดำเหล่านั้นรวมตัวกันเพราะมวลของพวกมันเข้าไปเยื้องโครงสร้างของอวกาศและเวลา (SN: 10/17/58 น. 16- เมื่อหลุมดำเข้าใกล้ในหลุมกาลอวกาศที่ลึกลงไป พวกมันก็ปั่นป่วนผืนผ้านั้น และปล่อยรังสีความโน้มถ่วง (หรือคลื่นแรงโน้มถ่วง ตามที่นักวิทยาศาสตร์มักเรียกพวกมัน) ระลอกคลื่นโน้มถ่วงเหล่านี้ต่างจากคลื่นชนิดที่คุ้นเคยกันดีว่าไม่ได้เดินทาง "ผ่าน" ในอวกาศ; มันคือการสั่นสะเทือนของกาลอวกาศซึ่งแพร่กระจายออกไปในทุกทิศทางด้วยความเร็วแสง
เกือบทุกกรณีของการเร่งความเร็วของวัตถุจะสร้างคลื่นแรงโน้มถ่วง — คุณทำให้วัตถุที่อ่อนแอต้องลุกจากเตียงเมื่อเช้านี้ LIGO ขั้นสูงได้รับการปรับแต่งอย่างละเอียดเพื่อใช้งานในบ้านด้วยค่าโดยสารที่ตรวจจับได้มากขึ้น (และมีความเกี่ยวข้องทางวิทยาศาสตร์): คลื่นที่ปล่อยออกมาจากบริเวณที่มีมวลจำนวนมากอัดแน่นอยู่ในพื้นที่ขนาดเล็กและเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว หลุมดำเหล่านี้มีคุณสมบัติเหมาะสมอย่างแน่นอน มวลมหาศาลของพวกมันอัดแน่นอยู่ในทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 150 กิโลเมตร เมื่อถึงเวลาที่หลุมดำประสบกับการพุ่งเข้าหากันครั้งสุดท้าย พวกมันก็โคจรรอบกันและกันด้วยความเร็วประมาณครึ่งหนึ่งของแสง ในวันที่ 14 กันยายน เวลา 04.50 น. ตามเวลาตะวันออก คลื่นแรงโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำในช่วงเสี้ยววินาทีสุดท้ายได้ไปพบกับเครื่องตรวจจับ LIGO รูปตัว L สองตัว
เครื่องตรวจจับของ LIGO เข้ามาแฮนฟอร์ด, วอช., และลิฟวิงสตัน, แอลเอซึ่งเปิดใช้งานใหม่อีกครั้งหลังจากห้าปีของการอัพเกรด แต่ละลำประกอบด้วยเลเซอร์อันทรงพลังที่แยกออกเป็นลำแสงยาว 4 กิโลเมตรตั้งฉากกันสองอัน เมื่อแรงโน้มถ่วงของกาลอวกาศสงบ ลำแสงจะรวมตัวกันอีกครั้งที่ทางแยกและหักล้างกัน รางของแสงเลเซอร์ขนาด 1,064 นาโนเมตรของลำแสงหนึ่งจะลบล้างยอดคลื่นของลำแสงที่สองโดยสิ้นเชิง
แต่การรบกวนจากแรงโน้มถ่วงจากคู่หลุมดำทำให้กาลอวกาศบิดเบี้ยว โดยบีบแขนข้างหนึ่งของเครื่องตรวจจับเล็กน้อยขณะยืดอีกข้างหนึ่ง (SN: 8/1/00 น. 26). เมื่อคานกลับมารวมกันอีกครั้ง แสงจะไม่เข้ากันอย่างสมบูรณ์อีกต่อไป อุปกรณ์ตรวจจับตรวจพบว่ายอดพลาดรางไปเป็นระยะทางน้อยที่สุด ประมาณหนึ่งในพันของเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน
สิ่งอำนวยความสะดวกของ LIGO บันทึกสัญญาณห่างกันเพียง 7 มิลลิวินาที ซึ่งบ่งชี้ถึงชีพจรความเร็วแสงจากห้วงอวกาศ แทนที่จะเป็นการสั่นสะเทือนที่เคลื่อนตัวช้ากว่าจากแผ่นดินไหวใต้ดินหรือแท่นขุดเจาะขนาดใหญ่ที่ดังก้องไปตามทางหลวง นักฟิสิกส์ใช้การวัดแบบรวมเพื่อประมาณระยะทาง 750 ล้านถึง 1.8 พันล้านปีแสงถึงหลุมดำ จำเป็นต้องมีเครื่องตรวจจับอย่างน้อยหนึ่งเครื่อง หรือสองเครื่องเพื่อระบุตำแหน่งที่แม่นยำของหลุมดำบนท้องฟ้า
แม้ว่าการนัดพบจะใช้เวลาหลายล้านปีในการสร้าง แต่เพียงสองในสิบของวินาทีสุดท้ายเท่านั้นที่สร้างคลื่นแรงโน้มถ่วงซึ่งมีความเข้มและความถี่ที่จำเป็นสำหรับการตรวจจับโดย Advanced LIGO สองในสิบของวินาทีนั้นบอกเล่าเรื่องราวได้ค่อนข้างดี ในตอนแรก หลุมดำโคจรรอบกันและกันประมาณ 17 ครั้งต่อวินาที ในตอนท้ายมันเป็น 75 ความถี่และความเข้มของคลื่นแรงโน้มถ่วงถึงจุดสูงสุด จากนั้นหลุมดำก็รวมตัวกัน การแสดงจบลงแล้ว
เมื่อรวมการวัดคลื่นเข้ากับการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ นักวิทยาศาสตร์ได้ระบุได้ว่าหลุมดำมวล 36 และ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์คู่หนึ่งได้กลายมาเป็นสัตว์ร้ายมวล 62 เท่าของดวงอาทิตย์ มวลของดวงอาทิตย์สามดวงที่หายไปนั้นถูกเปลี่ยนให้เป็นพลังงาน (Einstein อีกครั้ง E=mc2) และถูกพัดพาไปในรูปของคลื่นแรงโน้มถ่วง กำลังไฟฟ้าที่ส่งออกระหว่างการแปลงมวลเป็นพลังงานนั้นเกินกว่าดาวฤกษ์ทุกดวงในจักรวาลรวมกัน
สัญญาณที่สังเกตได้ตรงกับสิ่งที่นักฟิสิกส์คาดหวังจากการควบรวมหลุมดำเกือบจะสมบูรณ์แบบ Ingrid Stairs นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบีย ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับ LIGO กล่าวว่าเธอและเพื่อนร่วมงาน “ตะลึงกับความสวยงามของมัน” เมื่อแปลเป็นเสียงแล้ว สัญญาณจะมีลักษณะคล้ายเสียงกึกก้องตามด้วยเสียงร้องเจี๊ยก ๆ “มันดูโดดเด่นราวกับนิ้วโป้งเจ็บ” Rainer Weiss หนึ่งในสถาปนิกหลักของ LIGO กล่าว “เราไม่ได้คาดหวังอะไรที่ยิ่งใหญ่ขนาดนี้” ไวส์เคยไปลิฟวิงสตันเมื่อไม่กี่วันก่อน และเกือบจะปิดเครื่องตรวจจับเพื่อแก้ไขปัญหาเล็กๆ น้อยๆ หากเขาทำเช่นนั้น “เราคงจะพลาดไป”
แม้จะดูเหมือนเป็นสัญญาณที่ไม่ต้องสงสัย แต่นักวิจัยของ LIGO ได้ทำการทดสอบทางสถิติที่เข้มงวดหลายครั้ง สัญญาณก็รอด “ฉันมีความมั่นใจอย่างมากในทีมโดยรวมและทุกสิ่งที่พวกเขาทำกับข้อมูล” Stairs กล่าว
การประกาศของ LIGO อยู่ระหว่างสองศตวรรษที่เกี่ยวข้องมาก: การแนะนำทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (พฤศจิกายน พ.ศ. 2458) และการทำนายคลื่นความโน้มถ่วงของเขา (มิถุนายน พ.ศ. 2459 แม้ว่าเขาจะต้องแก้ไขคณิตศาสตร์ในอีกสองปีต่อมา) Russell Hulse และ Joseph Taylor Jr. ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1993 จากการอนุมานการปล่อยคลื่นแรงโน้มถ่วงโดยพิจารณาจากการเคลื่อนที่ของศพดาวฤกษ์ที่เรียกว่าดาวนิวตรอนและสหายที่โคจรอยู่ใกล้กัน ขณะนี้ Advanced LIGO ได้ผนึกข้อตกลงกับการวัดโดยตรงครั้งแรกแล้ว
หอดูดาวแห่งนี้บรรลุผลสำเร็จในสิ่งที่รุ่นก่อนซึ่งดำเนินการตั้งแต่ปี 2544 ถึง 2553 ไม่สามารถทำได้เนื่องจากการอัปเกรดห้าปีที่เพิ่มความไวอย่างน้อยสามเท่า ความไวที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้สามารถระบุวัตถุที่อยู่ห่างไกลได้มากขึ้น: หากพื้นที่ค้นหาของ LIGO รุ่นแรกรวมพื้นที่ทั้งหมดที่สามารถใส่ในกีฬาเบสบอลได้ Advanced LIGO จะสามารถมองเห็นทุกสิ่งในบาสเก็ตบอลได้ การเปรียบเทียบกับวัตถุขนาดในชีวิตประจำวันสิ้นสุดลงเพียงแค่นั้น ระยะของ LIGO ขั้นสูงขยายได้สูงสุดถึง 5 พันล้านปีแสงในทุกทิศทางสำหรับการรวมวัตถุประมาณ 100 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ David Shoemaker หัวหน้าโครงการของ MIT กล่าว การเข้าถึงที่ขยายออกไปบวกกับการเพิ่มความไวพิเศษที่ความถี่คลื่นที่เกี่ยวข้องกับหลุมดำ ทำให้สามารถตรวจจับประวัติศาสตร์ได้
ความสามารถในการตรวจสอบหลุมดำและวัตถุมืดอื่นๆ ที่มีอิทธิพลโดยไม่ได้ "มองเห็น" พวกมันด้วยแสงจริงๆ นี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้สึกตื่นเต้นกับยุคคลื่นความโน้มถ่วง หลุมดำกลืนสสารบางอย่างและปล่อยส่วนที่เหลือออกไปด้วยไอพ่นอันทรงพลัง กระจายอะตอมภายในและระหว่างกาแลคซี ดาวนิวตรอนคู่หนึ่งซึ่งเป็นเป้าหมายของ LIGO ขั้นสูง อาจกระตุ้นให้เกิดการระเบิดของรังสีแกมมาในที่สุด นับเป็นการระเบิดที่สว่างที่สุดและมีพลังมากที่สุดที่รู้จักในจักรวาล
แม้ว่าบางครั้งอิทธิพลของผู้ก่อปัญหาในจักรวาลเหล่านี้จะมองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์แบบเดิม แต่วัตถุเหล่านั้นกลับมองไม่เห็น คลื่นแรงโน้มถ่วงเป็นหัววัดโดยตรง และข้อดีก็คือ คลื่นเหล่านี้ไม่ถูกขัดขวางโดยก๊าซ ฝุ่น และเครื่องดูดซับจักรวาลอื่นๆ เช่นเดียวกับแสง “มันเปิดหน้าต่างใหม่สู่ดาราศาสตร์ที่เราไม่เคยมี” จอห์น เมเธอร์ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์รางวัลโนเบลกล่าวในการเข้าร่วมการแถลงข่าว ก่อนการค้นพบนี้ นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยสังเกตเห็นหลุมดำคู่หนึ่งโคจรรอบกันและกัน นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าขั้นตอนต่อไปที่สำคัญคือการสังเกตซูเปอร์โนวาใกล้เคียงหรือการชนกันของดาวนิวตรอนผ่านทั้งคลื่นแรงโน้มถ่วงและแสง
ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงเริ่มต้นขึ้นด้วยการตรวจจับ LIGO ขั้นสูง แต่ยังมีสิ่งอื่นๆ อีกมากมายที่กำลังตามมา นักวิทยาศาสตร์ LIGO ยังคงมีข้อมูลสามเดือนในการจัดเรียงจากการสังเกตรอบแรก และการวิเคราะห์สัญญาณบ่งชี้ว่าเหตุการณ์ที่คล้ายกันควรเกิดขึ้นปีละหลายครั้ง ในเวลาเดียวกัน นักวิจัยกำลังอัพเกรดเครื่องตรวจจับเพื่อให้สามารถตรวจจับดาวนิวตรอนและการชนกันของหลุมดำได้ไกลยิ่งขึ้น หอดูดาวนี้ควรจะกลับมาใช้งานได้อีกครั้งในช่วงปลายฤดูร้อน Peter Fritschel หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ด้านเครื่องตรวจจับของ LIGO กล่าว
ปลายปีนี้ พันธมิตรในยุโรปของแผนความร่วมมือ LIGO เพื่อรีสตาร์ทหอดูดาวคลื่นแรงโน้มถ่วงที่ปรับปรุงใหม่ราศีกันย์ขั้นสูงใกล้ปิซา ประเทศอิตาลี ถือเป็นเครื่องตรวจจับอัลตราไวโอเลตตัวที่สามที่สำคัญสำหรับการระบุแหล่งที่มาของคลื่นแรงโน้มถ่วง เครื่องตรวจจับที่คล้ายกันนี้ใช้งานได้ในญี่ปุ่นและอินเดีย
นักวิจัยได้ออกแบบ LIGO เพื่อตรวจจับคลื่นในจุดที่น่าสนใจสำหรับการบรรจบกันของหลุมดำและดาวนิวตรอน โดยมีความถี่ตั้งแต่หลายสิบเฮิรตซ์ไปจนถึงหลายพัน แต่เช่นเดียวกับที่นักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุและรังสีแกมมาในการสำรวจความถี่ต่างๆ ของแสง นักฟิสิกส์กำลังสร้างเครื่องตรวจจับที่ไวต่อช่วงความถี่คลื่นแรงโน้มถ่วง ที่ภารกิจของเอลิซ่าซึ่งเป็นหอดูดาวอวกาศที่ประกอบด้วยดาวเทียมขนาดเล็ก 3 ดวง จะค้นหาคลื่นที่มีความถี่ต่ำกว่า 1 เฮิรตซ์ เมื่อปล่อยออกมาในช่วงปี 2030 ดาวเทียมทั้งสามดวงควรจะสามารถแก้ไขหลุมดำจากเอกภพยุคแรกๆ ได้ เช่นเดียวกับมวลมหาศาลที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายล้านเท่า เมื่อวันที่ 22 มกราคม ดาวเทียมที่ออกแบบมาเพื่อทดสอบเทคโนโลยี eLISA ตกลงสู่วงโคจรรอบดวงอาทิตย์ที่อยู่ห่างออกไปประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตร “เรามีเทคนิคการตรวจจับที่ความถี่ต่างๆ ซึ่งสามารถนำไปใช้ได้ในเวลาเดียวกัน” Larson จากนอร์ธเวสเทิร์นกล่าว
ผลลัพธ์ LIGO ไม่เกี่ยวข้องกับการอ้างสิทธิ์ในการมองเห็นคลื่นแรงโน้มถ่วงในปี 2014 นับตั้งแต่ถูกยกเลิกโดยนักวิทยาศาสตร์ที่มีกล้องโทรทรรศน์ BICEP2 ใกล้ขั้วโลกใต้ (SN:2/21/15, น. 13- BICEP2 และกล้องโทรทรรศน์ที่คล้ายกันออกล่าคลื่นแรงโน้มถ่วงที่มีความถี่ต่ำกว่ามาก โดยส่งสัญญาณการสะท้อนจากช่วงเสี้ยววินาทีหลังจากบิ๊กแบงเรียกว่าการพองตัว ซึ่งเป็นช่วงที่อวกาศขยายตัวอย่างรวดเร็ว แม้ว่าจะตรวจไม่พบโดยตรง แต่คลื่นแรงโน้มถ่วงในยุคเงินเฟ้อเหล่านี้ควรถูกเข้ารหัสในแสงแรกสุดของเอกภพ นั่นคือพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล
นักวิทยาศาสตร์อาจตรวจพบรสชาติของคลื่นความโน้มถ่วงเหล่านั้นได้ในเร็วๆ นี้ แต่สำหรับตอนนี้ พวกเขาสามารถเพลิดเพลินกับการค้นพบที่ต้องใช้เวลาถึง 100 ปีได้ “นี่เป็นภาพดวงจันทร์ทางวิทยาศาสตร์อย่างแท้จริง” Reitze กล่าว “เราทำมัน. เราลงจอดบนดวงจันทร์”
