เรดชิพท์ความโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์และระบบดาวอื่น

 ภาพจากศิลปินแสดงการบิดผืนกาลอวกาศอันเกิดจากมวลของวัตถุในระบบสุริยะ เน้นเฉพาะดวงอาทิตย์, โลกและดวงจันทร์

ทีมนักวิจัยนานาชาติที่นำโดยสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งคานารี(IAC) ได้ตรวจสอบเรดชิพท์แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ได้อย่างเที่ยงตรงสูงมาก เป็นอีกครั้งที่ได้ทดสอบหนึ่งในการทำนายจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ งานวิจัยเผยแพร่ในวารสาร Astronomy & Astrophysics

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งเผยแพร่ระหว่างปี 1911 ถึง 1916 ได้เปิดแนวคิดใหม่เกี่ยวกับอวกาศและเวลา โดยแสดงว่าวัตถุมวลสูงได้สร้างการรบกวนในผืนกาล-อวกาศ ซึ่งมันจะรับรู้ในฐานะแรงโน้มถ่วง ด้วยวิธีนี้ ทฤษฎีของไอน์สไตน์ ทำนายว่าแสงเดินทางเป็นเส้นโค้งใกล้วัตถุมวลสูงและแสงก็อาจสูญเสียพลังงานบางส่วนไปเมื่อต้องหนีออกจากหลุมแรงโน้มถ่วงทำให้ความยาวคลื่นแสงขยับไปทางสีแดงมากขึ้น ซึ่งเรียกกันว่า เรดชิพท์ความโน้มถ่วง(gravitational redshift) สิ่งอื่นๆ ที่เราทราบว่าเป็นผลจากสัมพัทธภาพทั่วไปก็คือ การสำรวจพบการค่อยๆ ขยับของวงโคจรดาวพุธอันเนื่องจากกาลอวกาศที่บิดโค้งไปรอบๆ ดวงอาทิตย์มวลสูง

เรดชิพท์ความโน้มถ่วงเป็นปรากฏการณ์สำคัญต่อการรักษาระบบการนำร่องดาวเทียม เช่น GPS(Global Positioning System) ซึ่งไม่น่าจะทำงานได้ถ้าไม่แก้สมการสัมพัทธภาพทั่วไป ผลที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับมวลและรัศมีของวัตถุทางดาราศาสตร์ ดังนั้นแม้ว่าดวงอาทิตย์จะมีขนาดใหญ่กว่าโลก ก็ยังยากที่จะตรวจสอบสเปคตรัมดวงอาทิตย์ ในปี 1920 ไอน์สไตน์เขียนไว้ว่า สำหรับดวงอาทิตย์ การทำนายเรดชิพท์ทางทฤษฎีอยู่ที่ราว สองในหนึ่งล้านส่วนของความยาวคลื่น ไม่ว่าผลนี้จะมีจริงหรือไม่ก็ยังเป็นคำถาม และนักดาราศาสตร์ก็กำลังทำงานหนักเพื่อไขปริศนานี้ สำหรับดวงอาทิตย์แล้ว การมีอยู่ของมัน(เรดชิพท์-ผู้แปล) นั้นยากที่จะระบุเนื่องจากผลที่มีเพียงเล็กน้อยมากๆ

เรดชิพท์ความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำมวลมหาศาล ในใจกลางทางช้างเผือก ทำให้แสงของดาวฤกษ์ S2 ที่วิ่งเฉียดเข้าใกล้ ต้องใช้พลังงานเพื่อหนีจากหลุมแรงโน้มถ่วง แสงมีพลังงานลดลง(ขยับไปทางสีแดงมากขึ้น)

เพื่อตรวจสอบเรดชิพท์ความโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้การสำรวจสเปคตรัมดวงอาทิตย์ที่สะท้อนจากดวงจันทร์ โดยใช้ HARPS(High Accuracy Radial-velocity Planet Searcher) โดยใช้เทคโนโลจีใหม่ของหวีความถี่เลเซอร์(laser frequency comb) เมื่อรวมความแม่นยำของอุปกรณ์ HARPS กับหวีความถี่เลเซอร์ เราก็สามารถตรวจสอบตำแหน่งเส้นเหล็กในสเปคตรัมดวงอาทิตย์ได้อย่างเที่ยงตรงมากๆ Jonay Gonzalez Hernandez นักวิจัยที่ IAC และผู้เขียนคนแรกในบทความ อธิบาย นี่ช่วยให้เราได้ตรวจสอบการทำนายอย่างหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ คือ เรดชิพท์ความโน้มถ่วง จนถึงระดับความแม่นยำเพียงไม่กี่เมตรต่อวินาที

การตรวจสอบใหม่ด้วยหวี่ความถี่เลเซอร์ที่ติดตั้งกับสเปคโตรกราฟ ESPRESSO บนกล้อง VLT ขนาด 8.2 เมตร น่าจะช่วยให้เราได้ปรับปรุงการตรวจสอบเหล่านี้ Rafael Rebolo นักวิจัยและผู้อำนวยการ IAC และผู้เขียนร่วมบทความ กล่าว

ปรากฏการณ์เรดชิพท์ความโน้มถ่วงยังได้รับการยืนยันจากการสำรวจดาวฤกษ์ที่โคจรรอบหลุมดำยักษ์ในใจกลางทางช้างเผือก อันเป็นส่วนหนึ่งของงานของ Reinhard Genzel และ Andrea Ghez ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2020 ด้วย

รอบคนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*; Sgr A*) หลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางทางช้างเผือก มีดาวฤกษ์ร้อนอายุน้อยกลุ่มใหญ่วิ่งในวงโคจรรี โดยตำแหน่งที่เฉียดเข้าใกล้หลุมดำมากที่สุดแรงโน้มถ่วงมหาศาลเร่งความเร็วของดาวจนถึงระดับเสี้ยวความเร็วแสง

นอกจากนี้ ล่าสุดยังเป็นครั้งแรกที่มีการสำรวจพบเรดชิพท์ความโน้มถ่วงในระบบดาวแห่งหนึ่งที่อยู่ในทางช้างเผือกของเรา การศึกษาใหม่ได้พบเรดชิพท์ในระบบดาวคู่แห่งหนึ่งที่อยู่ไกลออกไป 29000 ปีแสง ซึ่งเรียกว่า 4U 1916-053 ระบบที่ห่างไกลนี้ประกอบด้วยแกนกลางที่หนาแน่นสูงซึ่งเหลือไว้เมื่อดาวฤกษ์ได้ทิ้งเปลือกก๊าซส่วนนอกๆ ออกมา กับดาวนิวตรอนอีกหนึ่งดวงซึ่งก็เป็นซากแกนกลางเช่นกันแต่มีความหนาแน่นสูงกว่า ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อดาวมวลสูงระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา ซากดาวคู่นี้กำลังโคจรรอบกันและกันด้วยระยะทางเพียง 346,000 กิโลเมตร ใกล้เคียงกับระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์

ในการศึกษาใหม่ นักวิจัยใช้กล้องจันทราไม่เพียงแต่ค้นพบระบบแห่งนี้และยังสามารถแสดงผลจากเรดชิพท์ความโน้มถ่วงได้ โดยการวิเคราะห์สเปคตรัมรังสีเอกซ์ หรือปริมาณรังสีเอกซ์ที่ถูกดูดกลืนในความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน จากดาวในระบบ มีหลักฐานที่ชัดเจนเป็นครั้งแรกว่าสัญญาณการดูดกลืนเลื่อนไปทางสีแดงโดยแรงโน้มถ่วงในคู่ ไม่เพียงแต่การค้นพบใหม่จะสำคัญที่เป็นการค้นพบจากนอกระบบสุริยะของเรา แต่มันยังเป็นหลักฐานที่เด่นชัดของปรากฏการณ์นี้ในระบบดาวคู่ที่มีดาวนิวตรอน หรือไม่ก็หลุมดำอยู่ 1 แห่งด้วย แถลงการณ์จากหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทราบอกไว้ ก่อนหน้านี้เคยสำรวจพบเรดชิพท์ในเส้นสเปคตรัมดูดกลืนจากพื้นผิวดาวแคระขาว โดยมีความยาวคลื่นเลื่อนไปเพียง 15% ของที่พบในระบบ 4U 1916-053

นักวิทยาศาสตร์บอกว่าเป็นไปได้ที่ชั้นบรรยากาศก๊าซที่ปกคลุมดิสก์ใกล้ดาวนิวตรอน(แสดงเป็นสีฟ้า) จะดูดกลืนรังสีเอกซ์ไว้ ได้สร้างผลสรุปเช่นนี้ ขนาดของการเลื่อนไปทางสีแดงในสเปคตรัมช่วยให้ทีมได้คำนวณว่าบรรยากาศนี้อยู่ไกลจากดาวนิวตรอนมากแค่ไหน โดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และใช้การสันนิษฐานมวลมาตรฐานของดาวนิวตรอน พวกเขาพบว่าชั้นบรรยากาศอยู่ห่างจากดาวนิวตรอน 2400 กิโลเมตร เทียบเท่ากับระยะห่างเพียง 0.7% ของดาวคู่นี้ มันน่าจะแผ่ออกไปได้ไกลหลายร้อยกิโลเมตรจากดาวนิวตรอน

ในสเปคตรัม(ดูดกลืนคลื่น) สองในสามเส้นยังพบหลักฐานสัญญาณที่เกิดเรดชิพท์มากขึ้นไปอีก เทียบเท่ากับระยะทางเพียง 0.04% ของระยะห่างของคู่นี้ อย่างไรก็ตาม สัญญาณเหล่านี้มีระดับความเชื่อมั่นที่ต่ำกว่าสเปคตรัมที่พบไกลจากดาวนิวตรอนมากกว่า

นักวิทยาศาสตร์จะได้รับเวลาในการสำรวจระบบแห่งนี้ในรายละเอียดที่มากขึ้นด้วยกล้องจันทราเพิ่มเติมในปีที่จะถึง งานวิจัยเผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters วันที่ 10 สิงหาคม และรายงานอัพโหลดในเวบไซท์ก่อนพิมพ์ arXiv.org

แหล่งข่าว phys.org : new measurements of the solar system verify Einstein’s theory of general relativity

iflscience.com : Einstein’s hypothesis about the Sun proved to highest precision yet

space.com : effect predicted by Albert Einstein spotted in a double-star system

nasa.gov : Einstein’s theory of relativity, critical for GPS, seen in distant stars