คลื่นความโน้มถ่วง: เขียนในดวงดาว?

การตรวจสอบรูปร่างของเศษซากของดาวฤกษ์ที่ถูกไฟไหม้สามารถให้หลักฐานโดยตรงสำหรับปรากฏการณ์ที่เป็นที่ต้องการตัวมากที่สุดสองประการในฟิสิกส์พื้นฐาน

สิ่งหนึ่งที่ฟิสิกส์สอนเราคือเหตุการณ์ในระดับที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้อาจมีผลของสัดส่วนของจักรวาล และในทางกลับกัน การศึกษาปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่น่าทึ่งที่สุดของเอกภพบางส่วนสามารถเปิดเผยเกี่ยวกับฟิสิกส์ได้มากในระดับพื้นฐานที่สุด

ตัวอย่างล่าสุดของสิ่งนี้ได้รับการเสนอโดยทีมนักวิจัยในยุโรป – พวกเขากล่าวว่าการศึกษารูปทรงของเศษซากของดาวฤกษ์ที่ถูกไฟไหม้ซึ่งอยู่ห่างออกไปหลายพันปีแสงสามารถให้หลักฐานที่เป็นรูปธรรมสำหรับปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์พื้นฐานที่เป็นที่ต้องการมากที่สุดสองประการ .

ปรากฏการณ์แรกคลื่นโน้มถ่วงถูกทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งอธิบายแรงโน้มถ่วงเป็นความโค้งในกาลอวกาศที่เกิดจากมวล ทฤษฎีของไอน์สไตน์มักแสดงให้เห็นโดยการวาดภาพกาลอวกาศราวกับว่ามันคล้ายกับแผ่นยางซึ่งวัตถุหนัก (เช่นดาวหรือดาวเคราะห์) ก้มลงเป็นลักยิ้มซึ่งวัตถุอื่น ๆ สามารถหมุนได้ ในการเปรียบเทียบนี้ การรบกวนของมวลหนักสามารถทำให้เกิดคลื่นในแผ่น แผ่ออกไปด้านนอกเหมือนน้ำกระเซ็นในบ่อ นี่คือคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งนำพลังงานบางส่วนออกจากแหล่งกำเนิด

เพื่อสร้างระลอกคลื่นที่มีขนาดสำคัญใดๆ สิ่งรบกวนจะต้องใหญ่มาก ตัวอย่างเช่น ดาวสองดวงชนกัน ค่อนข้างเร็วกว่ามาก วัตถุคล้ายดาวสองดวงที่โคจรรอบกันเร็วมากและใกล้มากถูกคาดการณ์ว่าจะแผ่พลังงานออกมาเป็นคลื่นความโน้มถ่วง เพื่อให้พวกมันค่อยๆ สูญเสียพลังงานและหมุนวนเข้าหากัน ผลกระทบนี้เคยเกิดขึ้นมาก่อน: หลายครั้งในพัลซาร์คู่ที่เรียกว่าไบนารีและเมื่อเร็ว ๆ นี้ในระบบดาวแคระขาวเลขฐานสองที่อยู่ห่างออกไป 3,000 ปีแสง

แม้ว่าการค้นพบดังกล่าวจะให้หลักฐานทางอ้อมว่ามีคลื่นความโน้มถ่วงอยู่จริง แต่นักวิทยาศาสตร์ก็อยากจะเห็นคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงผ่านไป มันจะบิดเบือนกาลอวกาศเพื่อให้ระยะทางสั้นลงหรือยาวขึ้นเล็กน้อยในทิศทางของคลื่น สำหรับคลื่นทั่วๆ ไปจากความแปรปรวนทางดาราศาสตร์ที่อยู่ห่างไกลออกไป การเปลี่ยนแปลงของระยะทางจะเล็กน้อย: หนึ่งกิโลเมตรจะสั้นลงประมาณหนึ่งในสี่ของล้านล้านล้านของเมตร หรือน้อยกว่าหนึ่งในพันของเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน หนึ่งในอนุภาคย่อยที่สำคัญในนิวเคลียสของอะตอม

จับคลื่น

อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์คิดว่าสิ่งนี้อาจตรวจพบได้ พวกเขาได้สร้างช่องท่อยาวหลายกิโลเมตร ลงซึ่งพวกเขายิงลำแสงเลเซอร์ที่สะท้อนกระจกที่ปลายสุด หากลำแสงถูกแยกและส่งลงมาสองช่องที่มุมฉากเป็นรูปตัว L ยอดและรางของคลื่นที่สะท้อนทั้งสองจะรบกวนกันเมื่อพวกมันกระดอนกลับและมาบรรจบกัน คลื่นความโน้มถ่วงจะเปลี่ยนความยาวช่องหนึ่งมากกว่าอีกช่องหนึ่ง ขึ้นอยู่กับทิศทางของคลื่น ซึ่งจะเปลี่ยนการรบกวนระหว่างลำแสงทั้งสองเล็กน้อย

ขณะนี้มีเครื่องตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงอยู่หลายตัว โครงการหนึ่งที่เรียกว่าLIGOและดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ในสหรัฐอเมริกา ดำเนินการเครื่องตรวจจับสองเครื่องในหลุยเซียน่าและวอชิงตัน เวลามาถึงที่แตกต่างกันของคลื่นที่เครื่องตรวจจับทั้งสองนี้ห่างกันมากกว่า 3,000 กม. จะทำให้สามารถระบุแหล่งที่มาของคลื่นในท้องฟ้าได้คร่าวๆ อย่างไรก็ตาม LIGO และโครงการคลื่นโน้มถ่วงอื่น ๆ ยังไม่เห็นอะไรเลย ขณะนี้สหภาพยุโรปกำลังวางแผนที่จะสร้างเครื่องตรวจจับใต้ดินแบบใหม่ที่มีความละเอียดอ่อนมากขึ้น เรียกว่ากล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์

ตอนนี้ Kostas Glampedakis นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยมูร์เซียในสเปนและเพื่อนร่วมงานได้แนะนำแหล่งคลื่นแรงโน้มถ่วงใหม่ที่เป็นไปได้: ภูเขาบนดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัว

ดาวนิวตรอนเป็นดาวฤกษ์ที่เก่าแก่และถูกเผาไหม้ซึ่งยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงของพวกมันเอง ดังนั้นอะตอมของมันถูกบดขยี้ให้กลายเป็นทะเลที่มีอนุภาคพื้นฐานซึ่งส่วนใหญ่เป็นนิวตรอนอย่างที่คุณเดา อันที่จริงสสารของดาวนิวตรอนนั้นหนาแน่นมากจนโดยทั่วไปแล้วปลอกนิ้วจะมีน้ำหนักหลายแสนล้านกิโลกรัม เทียบเท่ากับทิวเขา ดาวเหล่านี้บางดวงหมุนเร็วมากอย่างเหลือเชื่อ (บางครั้งหลายร้อยครั้งต่อวินาที) ส่งผลให้เกิดการกะพริบของลำแสงคลื่นวิทยุที่พุ่งออกมาจากขั้วแม่เหล็กของดาวฤกษ์ซึ่งคล้ายกับประภาคาร และสิ่งเหล่านี้เรียกว่าพัลซาร์

เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าหากดาวฤกษ์ดังกล่าวมีการกระแทก – หรือ “ภูเขา” – บนพื้นผิวของมัน สิ่งนี้จะทำให้เกิดการวอกแวกที่สามารถทำให้เกิดคลื่นแรงโน้มถ่วงได้ เนื่องจากสนามโน้มถ่วงของดาวนิวตรอนนั้นเข้มข้นมาก เราอาจคาดหวังว่าดาวจะถูกดึงเข้าสู่ทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ แต่นั่นไม่ใช่กรณีเสมอไป 4 ปีที่แล้วนักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรเลียแสดงให้เห็นว่าถ้าดาวนิวตรอนมีดาวข้างเคียงที่โคจรรอบซึ่งมันดึงสสารออก สสารนี้สามารถสะสมที่ขั้วซึ่งหนุนด้วยสนามแม่เหล็กของดาวเพื่อป้องกันไม่ให้แบน ด้วยวิธีนี้ ภูเขาที่มีระยะทางหลายกิโลเมตร แต่มีความสูงเพียงไม่กี่สิบเซนติเมตรเท่านั้นที่สามารถพัฒนาได้ โดยมีมวลประมาณดาวเสาร์

เรื่องสุดขั้ว

Glampedakis และเพื่อนร่วมงานกล่าวว่ามีอีกวิธีหนึ่งในการสร้างภูเขาบนดาวนิวตรอนซึ่งไม่ต้องอาศัยการมีดาวข้างเคียงในการกินเนื้อ – และสิ่งนี้ชี้ไปที่ปรากฏการณ์ที่ต้องการตัวที่สองในฟิสิกส์พื้นฐาน สันนิษฐานว่าความหนาแน่นสูงอย่างเหลือเชื่อของดาวฤกษ์สามารถบีบอะตอมของมันไม่ให้เป็นนิวตรอน แต่ลงไปในทะเลของอนุภาคพื้นฐานที่ยังคงมีการสร้างนิวเคลียสของอะตอม นั่นคือ ควาร์ก

ไม่ทราบว่า “สสารควาร์ก” นี้มีอยู่จริงหรือไม่ บางคนหวังว่ามันอาจจะถูกมองเห็นได้ในตัวเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ Hadron Collider ที่ CERN ในเจนีวา แต่ทางออกที่ดีกว่าคือการค้นหาลายเซ็นของมันในดาวนิวตรอน ซึ่งในความเป็นจริงแล้วจะเป็นดาวควาร์ก ส่วนใหญ่น่าจะเป็นแกนของควาร์ก สสารที่เคลือบด้วยสสารธรรมดา เช่น นิวตรอน

นักวิจัยกล่าวว่าสสารของควาร์กนี้มักจะเกิดเป็นคู่ และเป็นผลให้พวกมันสามารถถูกกวนด้วยกระแสน้ำวน กระแสน้ำวนจะสร้างบางสิ่งที่คล้ายกับแรงแม่เหล็กที่จะทำให้ภายในของดาวเป็นก้อน โดยบางส่วนมีความหนาแน่นมากกว่าส่วนอื่นๆ ผลที่ตามมา ก้อนเหล่านี้จะทำหน้าที่เหมือน “ภูเขาภายใน” ซึ่งทำให้เกิดการวอกแวกที่กระตุ้นคลื่นความโน้มถ่วงอีกครั้ง

การคำนวณของ Glampedakis และเพื่อนร่วมงานแนะนำว่ากล้องโทรทรรศน์ Einstein อาจสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นด้วยวิธีนี้ ตัวอย่างเช่น หาก พัลซาร์ VelaและCrab ที่ศึกษามาเป็นอย่างดี ซึ่ง ทั้งสองผลิตโดยซุปเปอร์โนวา ซึ่งภายหลังเป็นต้นกำเนิดของเนบิวลาปู มีแกนที่ทำจากสสารของควาร์กคู่กัน พวกมันควรแผ่คลื่นความโน้มถ่วงที่แรงพอที่จะสังเกตได้ ขึ้นอยู่กับรายละเอียด พวกเขาอาจถูกตรวจพบโดยการอัพเกรด LIGO ไม่ว่าในกรณีใด สิ่งนี้จะไม่เพียงแต่พิสูจน์ให้เห็นถึงไอน์สไตน์เท่านั้น แต่ยังเสนอหน้าต่างของสสารที่แปลกประหลาดและสุดโต่งนี้ด้วย

หน้าแรก