คำทำนายของไอน์สไตน์ ดาวฤกษ์ที่โคจรเป็นรูปดอกกุหลาบ และการชนของหลุมดำคู่แบบอสมมาตร

ที่มา Matt Payne

          วันที่ 18 เมษายน ค.ศ.2020 ที่ผ่านมาเป็นวันครบรอบ 65 ปีที่สุดยอดนักฟิสิกส์อย่างอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) จากโลกนี้ไป หากย้อนไป 4 ปีก่อน นักฟิสิกส์ทั่วโลกต่างตื่นเต้นกับการตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Wave) แบบโดยตรงได้เป็นครั้งแรก และ 1 ปีก่อนหน้านี้ นักฟิสิกส์ก็สามารถถ่ายภาพหลุมดำได้เป็นครั้งแรก การค้นพบเหล่านี้จะไม่เกิดขึ้นหากไม่มีทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of General Relativity) ซึ่งเป็นหนึ่งในเสาหลักของฟิสิกส์ยุคใหม่ (Modern Physics) ที่ไอน์สไตน์ได้วางรากฐานเอาไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ.1915 สำหรับบทความนี้ ผู้เขียนจะเล่าข่าวงานวิจัยใหม่จำนวน 2 ข่าวที่เกิดขึ้นในเดือนครบรอบการเสียชีวิตของไอน์สไตน์

          ก่อนเริ่มข่าวที่หนึ่ง ผู้เขียนต้องเกริ่นก่อนว่า ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก (Milky Way Galaxy) มีแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่มีมวลมหาศาลซี่งคาดว่าเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive Black Hole) เรียกว่า Sagittarius A* ที่มีมวล 4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์และมีดาวฤกษ์ที่เรียกว่า S2 โคจรอยู่โดยรอบ ก่อนหน้านี้ นักดาราศาสตร์พบว่าดาวฤกษ์ S2 มีคาบการโคจร 16 ปี และเมื่อมันโคจรเข้าใกล้หลุมดำก็จะถูกแรงโน้มถ่วงสูงของหลุมดำเร่งให้มีความเร็วสูงขึ้นถึง 3 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง แล้วทำให้ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกยืดออกไปในทางสีแดงเนื่องจากปรากฏการณ์เรดชิฟต์เชิงความโน้มถ่วง (Gravitational Redshift) ตรงตามผลการคำนวณด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

ดาวฤกษ์ S2 โคจรรอบหลุมดำ Sagittarius A*
ที่มา ESO/M. Kornmesser

          การศึกษาหลุมดำ Sagittarius A* และดาวฤกษ์ S2 ดำเนินมาอย่างต่อเนื่อง เดือนเมษายนที่ผ่านมา ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาตินำโดยนักวิจัยจาก Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) ได้ตีพิมพ์งานวิจัยชื่อ Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole ลงในวารสาร Astronomy&Astrophysics โดยงานวิจัยดังกล่าวเป็นการใช้กล้องโทรทรรศน์ Very Large Telescope (VLT) ของ European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere (ESO) ในการตรวจสอบและติดตามวิถีโคจรของดาวฤกษ์ S2 ผลการศึกษาพบว่าดาวฤกษ์ดวงนี้มีการโคจรแบบไม่ซ้อนทับกับวงโคจรเดิมในแต่ละรอบ เรียกว่าการหมุนควงแบบชวาร์ซชิลด์ (Schwarzschild Precession) ส่งผลให้ดาวฤกษ์ S2 มีวงโคจรคล้ายรูปดอกกุหลาบ ผลการศึกษานี้ใช้เวลานานถึง 27 ปีจึงยืนยันว่าถูกต้องตรงตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

 

การโคจรของดาวฤกษ์ S2 รอบหลุมดำที่ใจกลางกาแล็กซี
ที่มา L. Calçada/ESO

         มาต่อกันที่ข่าวที่สอง ย้อนกลับไปเมื่อวันที่ 12 เมษายน ค.ศ.2019 นักวิจัยจาก LIGO และ Virgo ได้ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงระลอกใหม่ที่เกิดจากการชนกันของหลุมดำสองดวงที่อยู่ห่างออกไป 2,400 ล้านปีแสง แต่เมื่อวิเคราะห์รูปแบบของสัญญาณความถี่ของคลื่นความโน้มถ่วงดังกล่าว นักวิจัยก็ต้องประหลาดใจ เพราะคลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกเรียกว่า GW190412 นี้ เกิดจากหลุมดำที่มีมวล 8 เท่าและ 30 เท่าของดวงอาทิตย์ ซึ่งปกติแล้วคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจพบก่อนหน้านี้จะเกิดจากหลุมดำคู่ที่มีมวลใกล้เคียงกัน เหตุการณ์นี้จึงเป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สามารถตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมตัวของหลุมดำคู่ที่มีมวลแตกต่างกันมากที่สุดในขณะนี้ ผลการวิเคราะห์ดังกล่าวจึงนำไปสู่คำถามต่อไปว่าหลุมดำคู่นี้เกิดขึ้นและเข้ามาโคจรรอบกันและกันได้อย่างไร

การโคจรรอบกันและกันของหลุมดำคู่ที่มีมวลแตกต่างกัน
ที่มา N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

          ผลการศึกษาดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์เป็นบทความชื่อ GW190412: Observation of a Binary-Black-Hole Coalescence with Asymmetric Masses และถูกนำเสนอในงานประชุมเชิงวิชาการของ American Physical Society ผ่านช่องทางออนไลน์เนื่องจากการระบาดของไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่

        ในอนาคต เราต้องติดตามกันต่อว่าผลงานหรือความคิดของไอน์สไตน์เรื่องไหนจะได้รับการพิสูจน์อีก แต่เมื่อพิจารณามรดกทางปัญญาที่ไอน์สไตน์มอบให้แก่มนุษยชาติ คำกล่าวที่ว่า “อัจฉริยภาพของไอน์สไตน์อยู่เหนือกาลเวลา” ก็คงไม่ใช่การยกย่องที่เกินจริงนัก

        หมายเหตุ: ทฤษฎีของไอน์สไตน์มีชื่อว่า “สัมพัทธภาพ” แต่มักถูกเขียนและเรียกผิดเป็น “สัมพันธภาพ” โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพจะแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Theory of Special Relativity) และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of General Relativity)
 

บทความโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

     อ้างอิง