คลื่นความโน้มถ่วง : หน้าต่างบานใหม่สำหรับการศึกษาเอกภพ (Gravitational Wave: A new window to explore our Universe )

โดย ผศ.ดร.อรรถกฤต ฉัตรภูติ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, ผศ. ดร. พิเชษฐ กิจธารา มหาวิทยาลัยมหิดล

รูปที่ 1 กราฟฟิคในจินตนาการแสดงคลื่นความโน้มถ่วงจากการระเบิดในอวกาศถูกตรวจจับได้โดยดาวเทียม LISA
(ภาพจาก http://www.dlr.de/en/desktopdefault.aspx/tabid-5170/8702_read-17785/8702_page-3/)

นักวิทยาศาสตร์ใช้เครื่องมือศึกษาปรากฏการณ์ ต่างๆ บนท้องฟ้าเพื่อทำความเข้าใจ กำเนิดและวิวัฒนาการของเอกภพ พวกเขาใช้ทั้งกล้องโทรทัศน์ที่ใช้แสงสว่าง กล้องโทรทัศน์ที่ใช้คลื่นรังสีเอ๊กซ์ คลื่นรังสีอินฟาเรท คลื่นไมโครเวฟ หรือแม้กระทั่งคลื่นวิทยุ และข้อมูลจากคลื่นชนิดต่างๆ เป็นเสมือนหน้าต่างที่นำความรู้ความเข้าใจใหม่ๆ เกี่ยวกับจักรวาลมาให้เรา อย่างไรก็ตามคลื่นทั้งหมดที่กล่าวมานั้น ล้วนเป็นส่วนหนึ่งของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่การตรวจพบคลื่นชนิดใหม่ที่เรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วงจะเปิดหน้าต่างบานใหม่สู่เอกภพ ในมุมมองที่เรายังไม่เคยเห็นมาก่อน

คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร?

คลื่นความโน้มถ่วง หรือ Gravitational wave เป็นคลื่นอีกชนิดหนึ่งที่แตกต่างจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อัลเบิร์ต์ ไอน์สไตน์ ได้ทำนายการมีอยู่ของมันโดยอาศัยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ใช่แล้วครับ คลื่นความโน้มถ่วง คือมรดกอีกชิ้นหนึ่งจากอัจฉริยภาพของอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ มันเป็นคลื่นของอวกาศและเวลาที่แพร่กระจายไปได้ทั่วเอกภพ

รูปที่ 2 กราฟฟิกแสดงคลื่นความโน้มถ่วงจากระบบดาวคู่

มนุษย์รู้จักแรงโน้มถ่วงมาตั้งแต่สมัยของ เซอร์ ไอแซก นิวตัน แต่ในปลายปี ค.ศ. 1915 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้เสนอทฤษฎีที่จะช่วยอธิบายว่า แรงโน้มถ่วงมีกลไกการทำงานอย่างไร สรุปความโดยย่อแล้ว ทฤษฎีของไอน์สไตน์อธิบายความโน้มถ่วงผ่านความโค้งของอวกาศและเวลา

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อวกาศไม่ได้เป็นเพียงเวทีที่แข็งกระด้าง สำหรับให้เหตุการณ์ต่างๆ ในเอกภพ เกิดขึ้น และดำเนินไปเท่านั้น แต่มันยังร่วมแสดงด้วย มันเป็นตัวละครสำคัญในเอกภพของเรา การบิดโค้งของมันกำหนดการเคลื่อนที่ของสสาร และในขณะเดียวกันการมีอยู่ของสสารและพลังงานในจักรวาลก็กำหนดการบิดโค้งของเวลาและอวกาศ ทั้งหมดถักทอประสานเข้าด้วยกันอย่างน่าอัศจรรย์ วัตถุทุกชนิดที่เคลื่อนที่จะเปลี่ยนรูปทรงของกาลอวกาศที่อยู่รอบๆ มัน

มวลสารที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง จะทำให้เกิดการรบกวนในโครงสร้างของเวลาและอวกาศ โดยการรบกวนนี้จะแพร่กระจายออกไปด้วยอัตราเร็วแสง ในรูปของคลื่นที่เรายังไม่เคยตรวจพบมาก่อนจนกระทั่งเมื่อเร็วๆ นี้ เราเรียกมันว่า “คลื่นความโน้มถ่วง”

คลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้นได้อย่างไร

โดยทฤษฎีแล้วมวลสารที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง จะปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วง แต่ปัญหาก็คือ โดยมากแล้วคลื่นความโน้มถ่วงเป็นสัญญาณที่มีความเข้มน้อยมากๆ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงมักจะสนใจเหตุการณ์ที่มีความรุนแรงในจักรวาลของเราที่พวกเขาเชื่อว่าจะแผ่คลื่นความโน้มถ่วงที่สามารถตรวจจับได้ เหตุการณ์รุนแรงเหล่านี้อาจแบ่งเป็นกลุ่มใหญ่ๆ ได้สามกลุ่ม ได้แก่

หนึ่ง การหมุนรอบของดาวที่มีมวลมาก เช่น ระบบดาวคู่ ไม่ว่าจะเป็น ดาวนิวตรอนสองดวงหมุนรอบกัน หรือแม้แต่หลุมดำสองดวงที่หมุนรอบๆ กัน สอง การระเบิดรุนแรงในอวกาศ เช่น ซุปเปอร์โนวา การชนกันของดาว หรือหลุมดำ การเกิดหลุมดำ การระเบิดรังสีแกมม่า เป็นต้น และ สาม เหตุการณ์การกำเนิดเอกภพหรือบิ๊กแบง ซึ่งจะปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมา

รูปที่ 3 ภาพการจำลองการชนกันของหลุมดำ 2 ดวง ในเสี้ยววินาทีที่พวกมันกำลังจะชนกัน ภาพบน : แสดงวงโคจรและเงาของหลุมดำ ภาพกลาง : แสดงความบิดโค้งของเวลาและอวกาศ โดยมีลูกศรแสดงถึงทิศทาง ที่อวกาศถูกลากไป ในขณะที่สีจะบ่งบอกถึงการบิดโค้งของเวลา ภาพล่าง : แสดงรูปคลื่นความโน้มถ่วงที่ปลดปล่อยออกมา
(ภาพจากหนังสือ ทะลุมิติวิทยาศาสตร์กับอินเตอร์สเตลลาร์)

เครื่องมือที่สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง จะทำหน้าที่เป็นเสมือนหูฟัง ให้เราได้ยินเสียงการสั่นสะเทือนของกาลอวกาศจากเหตการณ์เหล่านั้น เพื่อนำมาทำความเข้าใจกลไกต่างของธรรมชาติให้ชัดเจนยิ่งขึ้น แต่ปัญหาอยู่ที่ว่า แม้แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงจะเป็นปรากฎการณ์ที่รุนแรง แต่สัญญาณที่เราคาดว่าจะตรวจวัดได้นั้ ช่าง “อ่อนเบา” เสียเหลือเกิน ซึ่งนั่นไม่ใช่เรื่องน่าแปลกเพราะแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงเหล่านั้นอยู่ห่างไกลจากเรามากนั่นเอง

นักวิทยาศาสตร์ต้องใช้เครื่องวัดที่มีความละเอียดมากกว่าหนึ่งในพันล้านส่วนของขนาดอะตอมเพื่อที่จะตรวจจับมัน และคว้าน้ำเหลวตลอดหลายสิบปีที่ผ่านมา

เราทราบอะไรบ้างเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วง

คลื่นความโน้มถ่วง เป็นคลื่นของกาลอวกาศ เมื่อมันแพร่ไปในอวกาศมันจะทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของระยะทางในบริเวณนั้น เราบอกความแรงของคลื่นความโน้มถ่วงด้วย ความเครียด (strain) ของอวกาศที่คลื่นแพร่ผ่าน ซึ่งมันคืออัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงของระยะทางที่เกิดขึ้น นักวิทยาศาสตร์เรียกแทนมันด้วยสัญลักษณ์ตัวอักษร h โดยตามทฤษฎีแล้วค่าของ h จะอยู่ที่ประมาณ สิบยกกำลังลบยี่สิบเอ็ด (10 ^-21) หรือ “หนึ่งในพันล้านล้านล้าน” (1/1,000,000,000,000,000,000,000) และคลื่นความโน้มถ่วงมีสมบัติ polarization ที่มีลักษณะการสั่นดังรูป

รูปที่ 4 ลักษณะการสั่นของคลื่นความโน้มถ่วงที่มีสมบัติ polarization

การตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงนั้นทำได้ยากมาก เพราะต้องตรวจวัดอัตราการเปลี่ยนแปลงของระยะทาง หรือค่า h ที่มีขนาดน้อยมากๆ ระบบดาวนิวตรอนคู่ที่หมุนรอบกันด้วยความถี่ 100 เฮิร์ต ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 100 เมกกะพาร์เซค จะมีค่า h ประมาณ หนึ่งในพันล้านล้านล้าน หรือ 10 ^-21

การวัดคลื่นความโน้มถ่วง

แม้ว่าการวัดคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงจะทำได้ยาก แต่เราสามารถพิสูจน์ได้ว่ามันมีอยู่จริง! โดยใช้การวัดแบบอ้อมๆ เช่น การตรวจวัดพลังงานที่สูญเสียไปในระบบดาวคู่ อย่างเช่นที่ค้นพบโดยรัสเซลส์ ฮัลส์ (Russell Alan Hulse) และโจเซฟ เทย์เลอร์ (Joseph Hooton Taylor) ซึ่งเป็นดาวนิวตรอน 2 ดวงที่โคจรรอบกันและกัน โดยอยู่ใกล้กันมากจนมีคาบการโคจรที่น้อยประมาณ 0.06 วินาที ดาวนิวตรอนดวงหนึ่งในระบบนี้มีลักษณะเป็นดาวพัลซาร์ (pulsar) ซึ่งส่งคลื่นมาเหล็กไฟฟ้าออกมาด้วยคาบที่สม่ำเสมอ การวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณสมบัติต่างๆของระบบดาวคู่ได้อย่างแม่นยำ ผลการติดตามและวัดคาบของระบบดาวคู่นี้เป็นระยะประมาณ 30 ปี พบว่าคาบการโคจรของมันลดลงอย่างต่อเนื่องจากการจากการที่มันแผ่คลื่นความโน้มถ่วง นักวิทยาศาสตร์พบว่าการลดลงนี้สอดคล้องกับการคำนวณโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบแป๊ะๆ ซึ่งการค้นพบนี้มีส่วนทำให้ รัสเซลส์ ฮัลส์ (Russell Alan Hulse) และโจเซฟ เทย์เลอร์ (Joseph Hooton Taylor) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี ค.ศ. 1993 อย่างไรก็ตามการตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงโดยทางตรงยังคงเป็นความฝันลำดับต้นๆ ของนักวิทยาศาสตร์อยู่เสมอ

รูปที่ 5 การเปลี่ยนแปลงของคาบการโคจรของระบบดาวคู่ Hulse-Taylor binary ซึ่งลดลงอย่างต่อเนื่อง (จุดสีแดง) สอดคล้องกับการคำนวณโดยทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอส์ไตน์ [เครดิตภาพจากผลงานตีพิมพ์ของ Hulse และ Taylor]

LIGO เครื่องตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงทางตรง

เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเหล่านี้มาถึงโลก มันจะอยู่ในรูปแบบที่แสดงไว้ตรงส่วนบนของรูป พวกมันจะยืดระยะทางอวกาศไปในทิศทางหนึ่งและบีบอัดในอีกทิศทางหนึ่ง เกิดการยืดและ บีบอัดเปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมา (จากสีแดงในทิศทางขวา-ซ้าย ไปเป็นสีน้ำเงินใน ทิศทางขวา-ซ้าย และกลับมาเป็นสีแดงในทิศทางขวา-ซ้าย เป็นเช่นนี้ไปเรื่อยๆ) ขณะ ที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านเครื่องวัดที่แสดงไว้ตรงส่วนล่างของรูป

รูปที่ 6 แสดงหลักการทำงานของเครื่องวัดคลื่นความโน้มถ่วง (ภาพจากหนังสือ ทะลุมิติวิทยาศาสตร์กับอินเตอร์สเตลลาร์)

เครื่องวัดประกอบด้วยกระจกบานใหญ่ 4 บาน (หนัก 40 กิโลกรัม และเส้น ผ่านศูนย์กลาง 34 เซนติเมตร) โดยแขวนไว้กับที่ยึดด้านบนตรงส่วนปลายแขนของ เครื่องมือสองแขนที่ตั้งฉากกันอยู่ คลื่นความโน้มถ่วงจะยืดแขนข้างหนึ่งในขณะที่ บีบอัดแขนอีกข้าง จากนั้นก็จะบีบอัดแขนข้างแรกและยืดแขนข้างที่สอง สลับกันไป เรื่อยๆ ระยะห่างที่มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างกระจกแต่ละบานจะถูกตรวจจับด้วยลำแสงเลเซอร์ โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า “อินเตอร์เฟอโรเมทรี” (Interferometry) ซึ่งมาสู่ ชื่อ LIGO ซึ่งย่อมาจาก หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงโดยเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรเมทรี (The Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory)

รูปที่ 7 เครื่อง LIGO ที่เมืองแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน แขนของเครื่องวัดแต่ละข้างยาวถึง 4 กิโลเมตร

LIGO เป็นโครงการร่วมมือนานาชาติมีนักวิทยาศาสตร์มากกว่า 900 คนจาก 17 ประเทศ สำนักงานใหญ่อยู่ที่มหาวิทยาลัยแคลเทค โดยมีเครื่องวัดคลื่นความโน้มถ่วงอยู่ในเมืองแฮนฟอร์ด มลรัฐวอชิงตัน และที่เมืองลิวิงสตัน มลรัฐหลุยเซียนา และแผนจะสร้างเครื่องที่ 3 ในประเทศอินเดีย นักวิทยาศาสตร์ใน อิตาลี ได้สร้างเคลื่อนลักษณะคล้ายกันนี้ที่เมืองปิ ส่วนนักฟิสิกส์ญี่ปุ่นกำลังสร้างเครื่องมือนี้ไว้ในอุโมงค์ ใต้ภูเขาแห่งหนึ่ง เครื่องวัดเหล่านี้จะทำางานร่วมกัน สร้างเป็นเครือข่ายขนาดยักษ์ทั่ว โลกเพื่อสำรวจเอกภพโดยใช้คลื่นความโน้มถ่วง นอกจากโครงการ LIGO ยังมีโครงการ Laser Interferometer Space Antenna หรือ LISA ซึ่ง เป็น โครงการตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วง โดยใช้ยานอวกาศ 3 ลำ แต่ละลำอยู่ห่างกันประมาณ 5 ล้านกิโลเมตร

รูปที่ 8 ภาพโครงการ Laser Interferometer Space Antenna หรือ LISA
(ภาพจาก http://www.space-lab.ru/view_result.php?lang=eng&id=5)

ประตูบานใหม่สู่ความเข้าใจเอกภพ

ปัจจุบันนี้มนุษย์เรายังมีข้อมูลจากการทดลองและจากการสังเกตการณ์เกี่ยว กับด้านที่บิดโค้งของเอกภพเพียงน้อยนิด และนี่คือเหตุผลที่คลื่นความโน้มถ่วงมีความ สำคัญ เพราะว่าพวกมันเกิดจากอวกาศที่บิดโค้ง มันจึงเป็นเครื่องมือที่เหมาะสมที่สุดในการศึกษาอวกาศที่บิดโค้งแปรปรวน ที่เกิดจากการชนกันของดวงดาว การระเบิดซุปเปอร์โนว่า หรือแม้แต่การกำเนิดของเอกภพ

ถ้าคุณเคยเห็นมหาสมุทรเฉพาะในวันที่ท้องฟ้าสดใส คุณจะไม่มีทางรู้เลยว่า ท้องทะเลที่คลุ้มคลั่งและคลื่นที่ถาโถมเข้ามาอย่างบ้าคลั่งในวันที่มีพายุใหญ่นั้นเป็น อย่างไร

คล้ายๆ กับความรู้เกี่ยวกับเวลาและอวกาศที่บิดโค้งที่เรามีในวันนี้ เรามีความ รู้เพียงน้อยนิดว่า เวลาและอวกาศจะมีพฤติกรรมอย่างไรภายใน “พายุ” นั่นคือ เมื่อ รูปทรงของอวกาศมีการสั่นอย่างบ้าคลั่ง เช่น สภานะภายในหลุมดำ หรือเหตุการณ์กำเนิดจักรวาลเป็นต้น

ข้อมูลที่เราได้จากคลื่นความโน้มถ่วงจะทำให้เราเข้าใจเอกภพได้มากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณที่ข้อมูลแสงสว่างและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าฉายเข้าไปไม่ถึง เช่น ที่จุดกำเนิดของเอกภพ หรือ บิ๊กแบง นักวิทยาศาสตร์หวังว่าความลับของการกำเนิดและวิวัฒนการจักรวาลจะซ่อนอยู่ในเสียงของกาลอวกาศที่เราจะฟังได้ผ่านคลื่นความโน้มถ่วง

• [1] Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). https://www.ligo.caltech.edu/
• [2] B. P. Abbott et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. PRL 116, 061102 (2016)
• [3] Joel M. Weisberg & Joseph H. Taylor. The Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis. ASP Conference Series, Vol. 328, 2005
• [4] โครงการ Laser Interferometer Space Antenna (LISA). https://lisa.nasa.gov/
• [5] Gladyshev V.O.; Morozov A.N. Low-frequency optical resonance in a multiple-wave Fabry-Perot interferometer. Tech. Phys. Lett. (July 1993). v.19(7) p.449-451.