เราจะ… ตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงได้โดยตรงหรือไม่?

ตามคำบอกเล่าของไอน์สไตน์ เราควรคาดหวังว่าจะพบรังสีนี้ทุกที่ในอวกาศ เหตุใดจึงยังคงเป็นหนึ่งในเป้าหมายที่เข้าใจยากที่สุดของดาราศาสตร์

แรงโน้มถ่วงส่งผลต่อรูปร่างของพื้นที่และเวลา เส้นทางของแสงและวัตถุขนาดใหญ่โค้งภายใต้อิทธิพลของมัน เมื่อบางสิ่งหมุนกาลอวกาศด้วยพลังงานที่เพียงพอ เช่น การระเบิดซูเปอร์โนวาหรือหลุมดำสองหลุมที่โคจรรอบกันและกัน การบิดเบือนจะกระจายออกเป็นระลอกคลื่น เหมือนกับก้อนหินที่ตกลงมาในสระน้ำ ระลอกคลื่นเหล่านี้เรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วง สิ่งเหล่านี้อ่อนแอมาก แต่ถ้าวัตถุเร่งความเร็วมีมวลเพียงพอ ก็ควรจะสามารถระบุได้

อย่างน้อยนั่นคือสิ่งที่เราสงสัย คลื่นความโน้มถ่วงถูกทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในปี 1916 และเราได้พยายามตรวจจับคลื่นแรงดึงดูดตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

แม้ว่าเราจะไม่เคยวัดคลื่นเหล่านี้โดยตรง แต่เราก็มีหลักฐานทางอ้อมมากมาย ในปี 1974 นักศึกษารัสเซลล์ ฮูลส์และหัวหน้างานของเขา โจเซฟ เทย์เลอร์ คำนวณว่าดาวฤกษ์ดับไฟคู่หนึ่งที่หมุนวนเข้าหากันกำลังแผ่คลื่นความโน้มถ่วงออกมาในอัตราที่ตรงตามที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้ สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลประมาณยี่สิบปีต่อมา

วัตถุใดๆ ที่โคจรรอบอีกวัตถุหนึ่งจะปล่อยรังสีความโน้มถ่วงออกมา แต่โดยส่วนใหญ่แล้วจะมีไม่มาก คลื่นความโน้มถ่วงกระเพื่อมออกมาจากโลกขณะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ แต่ปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปในช่วงหลายพันล้านปีนั้นเล็กน้อยมากเกินกว่าจะวัดได้ อย่างไรก็ตาม วัตถุที่หนาแน่นกว่าในจักรวาล ซึ่งเป็นเศษของดาวฤกษ์ เช่น หลุมดำ ดาวแคระขาว หรือพัลซาร์ที่ฮัลส์และเทย์เลอร์มองเห็น สามารถมีแรงโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งกว่ามากและมีวงโคจรที่เล็กกว่ามาก ดังนั้นการสูญเสียพลังงานอาจมีขนาดใหญ่มาก

อันที่จริง วัตถุใดๆ ที่ไม่สมมาตรเพียงพอสามารถสร้างคลื่นความโน้มถ่วงได้ ทรงกลมเรียบที่หมุนได้ (หรือแม้แต่ทรงกลมที่ถูกบีบ ตราบใดที่มีความสมมาตร) จะไม่สร้างมันขึ้นมา แต่ทรงกลมที่เป็นก้อนจะก่อตัวขึ้น หากพัลซาร์มีแม้แต่ภูเขาเล็ก ๆ ก็ตาม – เป็นไปได้อย่างชัดเจนหากอยู่ในระบบเลขฐานสอง – การหมุนอย่างรวดเร็วจะทำให้เกิดการแผ่รังสีความโน้มถ่วงอย่างเห็นได้ชัด การระเบิดของซุปเปอร์โนวาจากดาวมวลสูงมากบางดวงก็ไม่ใช่ทรงกลมเช่นกัน และจะทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง กล่าวอีกนัยหนึ่ง เราคาดว่ารังสีนี้จะมีอยู่ทุกหนทุกแห่ง แล้วทำไมเราตรวจไม่พบ?

จับคลื่น

ส่วนสำคัญของปัญหาคือแรงโน้มถ่วงนั้นอ่อน: แม้แต่คลื่นความโน้มถ่วงที่แรงที่สุดก็จะสะกิดอะตอมเพียงเล็กน้อยเท่านั้น นอกจากนี้ ความยาวคลื่นของการแผ่รังสีโน้มถ่วง – ระยะทางที่คลื่นซ้ำตัวเอง – มักจะใกล้เคียงกับขนาดของวัตถุที่เปล่งแสงออกมา ดังนั้น แม้ว่าคลื่นวิทยุจากพัลซาร์อาจมีความยาวคลื่นที่วัดเป็นเซนติเมตร แต่รังสีความโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาก็สามารถมีความยาวคลื่นที่วัดเป็นกิโลเมตรได้ ซึ่งหมายความว่าคุณอาจต้องการเครื่องตรวจจับที่มีขนาดใกล้เคียงกันเพื่อตรวจจับ

ปีที่แล้ว ฉันได้เยี่ยมชมเครื่องตรวจจับที่ละเอียดอ่อนที่สุดในโลก: Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (Ligo) เครื่องมือนี้ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับสองตัว โดยแต่ละตัวมีรูปตัว L มีแขนยาว 4 กิโลเมตร (2.8 ไมล์) เลเซอร์อันทรงพลังส่องลงมาที่แขนแต่ละข้าง และในแต่ละกิ่งจะมีชุดกระจกเรียงกัน เพื่อที่ว่าเมื่อแสงสะท้อนกลับมา ยอดเขาของคลื่นลูกหนึ่งจะก้าวไปพร้อมกับรางของอีกข้างหนึ่ง หักล้างกันออก (ด้วยเหตุนี้ชื่อ “ อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์”)ดังที่นักวิจัย Amber Stuver และ Gaby Gonzalez ชี้ให้ฉันเห็นว่า เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงผ่านเครื่องตรวจจับ มันจะเปลี่ยนความยาวของแขนด้วยจำนวนที่น้อยกว่าความกว้างของนิวเคลียสของอะตอม แต่ตัวตรวจจับมีความไวเพียงพอที่จะวัดค่าดังกล่าว เปลี่ยน.

แต่สิ่งอื่น ๆ สามารถเปลี่ยนความยาวของแขนได้เล็กน้อย เช่น แผ่นดินไหว หรือแม้แต่รถบรรทุกขนาดใหญ่ที่ส่งแรงสั่นสะเทือนผ่านพื้นดิน ด้วยเหตุผลดังกล่าว พนักงานจำนวนมากจึงประกอบด้วยวิศวกร รวมทั้ง Celine Ramet ซึ่งแสดงให้ฉันเห็นอุปกรณ์เพื่อให้ทุกอย่างนิ่งที่สุด สำหรับ Ligo ปัญหาได้รับการแก้ไขบางส่วนโดยมีเครื่องตรวจจับสองเครื่องในสหรัฐอเมริกา: หนึ่งเครื่องในหลุยเซียน่าและอีกเครื่องในวอชิงตัน ดังนั้นจึงแยกจากกัน 3,000 กิโลเมตร (1,860 ไมล์) โอกาสของสัญญาณบวกปลอมในเครื่องตรวจจับทั้งสองมีน้อยกว่ามาก การประสานงานกับเครื่องตรวจจับที่คล้ายกันราศีกันย์ (ในอิตาลี), คลีโอ (ในญี่ปุ่น) และหอดูดาวอื่น ๆ ลดความน่าจะเป็นมากยิ่งขึ้น จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีการตรวจพบคลื่นใดๆ ในการดำเนินงานหกปีของ Ligo แต่นักดาราศาสตร์กล่าวว่าเหตุการณ์คาดว่าจะเกิดขึ้นทุกๆ 10 ถึง 50 ปีภายในขอบเขตของอวกาศที่เครื่องตรวจจับกำหนดไว้เท่านั้น เครื่องตรวจจับรุ่นใหม่ที่เรียกว่าAdvanced LigoและAdvanced Virgoจะมีความไวเพิ่มขึ้น 10 เท่า และนักวิทยาศาสตร์หวังว่าพวกเขาจะสามารถตรวจจับบางสิ่งบางอย่างได้ภายในหนึ่งปีหลังจากเริ่มดำเนินการในปี 2558

ขีดจำกัดขนาดที่ใช้งานได้จริงของ Ligo และเครื่องตรวจจับแบบ Earth-bound อื่น ๆ หมายความว่าอุปกรณ์เหล่านี้เหมาะสมที่สุดสำหรับขั้นตอนสุดท้ายของไบนารีหรือการระเบิดของซูเปอร์โนวา ระบบดาวคู่แคระขาวหรือหลุมดำคู่ที่ใจกลางกาแลคซีจะผลิตคลื่นความโน้มถ่วงที่วัดได้เป็นล้านกิโลเมตร ซึ่งไม่น่าจะเป็นไปได้สำหรับเครื่องตรวจจับที่สร้างขึ้นบนโลก การสร้างเสาอากาศที่ใหญ่กว่าอย่างมากบนโลกนั้นใช้งานไม่ได้ 4 กิโลเมตรนั้นยาวพอที่แขนของ Ligo จะยื่นออกมาจากพื้นเนื่องจากความโค้งของโลก และการไปใต้ดินนั้นมีค่าใช้จ่ายและความเสี่ยงของมันเอง (แม้ว่าจะเป็นเส้นทางของเครื่องตรวจจับคลีโอ รับ) ถ้าคุณต้องการให้ใหญ่ขึ้น คุณต้องไปที่อวกาศ

พร้อมสำหรับสัญญาณ

เมื่อถึงจุดนี้ นักวิจัยคลื่นโน้มถ่วงเริ่มสาบานและเอานิ้วอุดหู เหตุผลก็คือโครงการที่วางแผนมายาวนานชื่อ Lisa (Laser Interferometer Space Antenna) ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่าง Nasa และ Esa ได้ประสบกับความล่าช้าหลายครั้งที่ทวีความรุนแรงขึ้นเมื่อ Nasa ถอยออกไปโดยสิ้นเชิง เวอร์ชันปรับปรุงที่เรียกว่าNext Gravitational-wave Observatory (NGO)เป็นการออกแบบที่เรียบง่าย แต่ปัจจุบันยังไม่ทราบวันที่เปิดตัว

NGO ตั้งอยู่บนหลักการเดียวกับ Ligo บทบาทของอาวุธนั้นเล่นโดยยานอวกาศสามลำที่บินในรูปแบบ V คงที่ซึ่งคั่นด้วยระยะทาง 2 ล้านกิโลเมตร (1.25 ล้านไมล์) ซึ่งมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโลก 150 เท่า กระจกภายในยานอวกาศจะเคลื่อนที่เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงผ่าน การแยกออกจากกันจากสัญญาณรบกวนที่พบในโลก เช่นเดียวกับความยาวแขนที่ใหญ่กว่ามาก ทำให้ NGO มีความละเอียดอ่อนมากขึ้น และสามารถตรวจจับไบนารีที่เสถียรได้

หากองค์กรพัฒนาเอกชนสร้างเสร็จและบินไปก่อนที่ฉันจะแก่และผมหงอก มันจะเป็นโอกาสที่ดีที่สุดที่เราจะพิสูจน์ไอน์สไตน์ และอาจพบวัตถุที่เราคาดไม่ถึงด้วยซ้ำ ในอดีต ทุกวิถีทางใหม่ในการมองเห็นทางดาราศาสตร์ได้เปิดเผยสิ่งใหม่ๆ ให้เห็น ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจหากดาราศาสตร์คลื่นโน้มถ่วงยังมีเรื่องน่าประหลาดใจอยู่บ้าง

ในขณะเดียวกันเครื่องตรวจจับที่ยึดติดกับโลกไม่รับประกันว่าจะสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงได้แม้ว่าโดยส่วนตัวแล้วฉันไม่ได้เข้าข้างคนที่ถากถางถากถางในประเด็นนั้น แม้ว่าความอ่อนไหวที่เพิ่มขึ้นอย่างมากจาก Advanced Ligo, Virgo ที่อัปเดต และโครงการอื่นๆ ทั่วโลกนั้นไม่เพียงพอที่จะทำเคล็ดลับ บทเรียนประวัติศาสตร์อย่างหนึ่งก็คือเราไม่ควรประมาทความเฉลียวฉลาดของมนุษย์ในการสร้างวิธีการใหม่ หากเราร่วมกันสนับสนุนหอสังเกตการณ์คลื่นโน้มถ่วงบนอวกาศ ซึ่งควรเป็นสากลด้วยเหตุผลในทางปฏิบัติ หากไม่มีสิ่งใด นักวิจัยจะเสียสัญญาณ จากนั้นคำถามที่ว่า “เราจะตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงหรือไม่” อาจใช้ถ้อยคำใหม่ว่า “เมื่อใดเราจะตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง

หน้าแรก