คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังในเอกภพ

      นักดาราศาสตร์ได้พบหลักฐานที่เป็นไปได้มากที่สุดของคลื่นความโน้มถ่วงที่ทำนายไว้แต่ยังไม่เคยตรวจพบได้ซึ่งเกิดจากหลุมดำมวลมหาศาลในแกนกลางกาแลคซีควบรวมกัน และพวกเขาก็คิดว่าน่าจะตรวจจับได้คาหนังคาเขาภายในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

     คลื่นความโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในหัวข้อที่ร้อนแรงที่สุดในทางดาราศาสตร์ ถูกทำนายเป็นครั้งแรกโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี 1916 ไอน์สไตน์ได้แสดงว่าแทนที่อวกาศจะเป็นโครงสร้างที่แข็งทื่อ แต่อวกาศกลับเป็นผืนที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งจะบิดและโค้งไปโดยวัตถุมวลสูง และมีความเชื่อมโยงกับเวลาอย่างแยกกันไม่ออก และเริ่มต้นเมื่อห้าปีที่แล้วเมื่อ LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ของสหรัฐฯ และมาตรแทรกสอดเวอร์โก(Virgo Inteferometer) ในยุโรป ได้ประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงได้โดยตรงเป็นครั้งแรก ซึ่งเกิดขึ้นจากหลุมดำสองแห่ง ซึ่งแต่ละแห่งมีมวลประมาณ 30 เท่าดวงอาทิตย์เป็นหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black holes) คู่หนึ่งซึ่งรบกวนกาลอวกาศรอบๆ มัน ส่งแรงกระเพื่อมผ่านผืนกาลอวกาศมา

     แต่คลื่นความโน้มถ่วงก็ไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะจากเหตุการณ์การทำลายในช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) คู่หนึ่งที่อยู่ในใจกลางกาแลคซีบางแห่ง ก็ยังส่งคลื่นความโน้มถ่วงความยาวคลื่นมากออกสู่กาลอวกาศเมื่อพวกมันหมุนวนรอบกันและกัน ในขณะที่คลื่นความโน้มถ่วงความยาวคลื่นสั้นกระแสหลักที่มาจากการชนของหลุมดำมวลดวงดาวจะพุ่งผ่านโลกในเวลาเพียงเสี้ยววินาที แต่คลื่นจากหลุมดำยักษ์คู่ที่กำลังเต้นรำอาจจะใช้เวลาหลายสิบปีเพื่อผ่านเราไปได้จนหมด ในความเป็นจริง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ทำนายว่าโลกจะถูกอาบด้วยคลื่นความโน้มถ่วงช่วงความยาวคลื่นยาว/ความถี่สั้นเช่นนี้ ผลุบขึ้นลงราวกับทุ่นลอยในทะเลที่มันจะล่องลอยไปทั่วทุกทิศทาง แทนที่จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากเหตุการณ์แต่ละครั้ง NANOGrav จึงมองหาคลื่นความโน้มถ่วง “พื้นหลัง” หรือคลื่นรวมๆ ที่คล้ายสัญญาณกวน(noise) ที่ถูกสร้างตลอดหลายพันล้านปีโดยคู่หลุมดำมวลมหาศาลจำนวนนับไม่ถ้วนในเอกภพ 

     ในรายงานที่เผยแพร่เมื่อเดือนธันวาคมปีที่แล้วใน Astrophysical Journal Letters ทีมได้รายงานหลักฐานที่ชัดเจนที่สุดเท่าที่เคยพบของทะเลคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังนี้ นักวิจัยกลุ่มนี้เป็นส่วนหนึ่งในโครงการ NANOGrav(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) ซึ่งเป็นโครงการที่พึ่งพาข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุกรีนแบงค์ และหอสังเกตการณ์อาเรสิโบซึ่งพังไปแล้ว กล้องวิทยุขนาดใหญ่เหล่านี้สำรวจพัลซาร์(pulsars) ซึ่งเป็นซากดาวขนาดกะทัดรัดที่เหลืออยู่จากดาวมวลสูงระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา ซากหมุนรอบตัวเร็วจี๋และมีความเป็นแม่เหล็กที่สูง ซึ่งจะเปล่งลำคลื่นวิทยุออกมาและหมุนรอบตัวหลายร้อยรอบต่อวินาที เมื่อมองจากโลกจะเห็นแสงจากพัลซาร์ปิดเปิดเป็นจังหวะ(pulses) เป้าหมายหลักของ NANOGrav ก็คือคลื่นความโน้มถ่วงน่าจะรบกวนจังหวะของพัลซาร์ที่แม่นยำราวกับนาฬิกาให้คลาดเคลื่อนไปได้ และนักวิจัยก็คิดว่าพวกเขาเริ่มได้เห็นสิ่งที่คาดไว้แล้ว  

พัลซาร์(pulsar) เป็นดาวนิวตรอนที่มีสนามแม่เหล็กที่รุนแรงมาก หมุนรอบตัวเร็วมากจนเปล่งคลื่นวิทยุออกมาเป็นจังหวะ(pulse) เมื่ออยู่ในแนวลำแสงจะเห็นพัลซาร์สว่างและมืดลงเหมือนกับแสงจากประภาคาร

     แม้ว่าการศึกษาใหม่ยังไม่ได้กล่าวอ้างถึงหลักฐานของคลื่นความโน้มถ่วงที่ชัดเจน แต่มันก็ยังคงเป็นช่วงเวลาที่ดี Kelly Holley-Bockelmann นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยวานเดอร์บิลด์ ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ กล่าว มนุษยชาติอาจจะเพิ่งได้ยินเสียงหึมฮัมพื้นหลังจากหลุมดำที่สุดขั้วที่สุดในเอกภพ

      การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงก่อนหน้านี้มาจากเครื่องมืออย่าง LIGO ซึ่งใช้กระจกที่อยู่ห่างกัน 4 กิโลเมตรเพื่อสะท้อนลำแสงเลเซอร์ เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงความยาวคลื่นสั้นวิ่งผ่านเครื่องมือยักษ์นี้ การรบกวนกาลอวกาศที่เกิดขึ้นจะเปลี่ยนความยาวปรากฏของแขนไปราว 1/10000 ส่วนเส้นผ่าศูนย์กลางของโปรตอน และ LIGO ก็สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงนี้ได้

     ดังนั้น เพื่อสำรวจคลื่นความโน้มถ่วงที่มีความยาวคลื่นมากขึ้น นักดาราศาสตร์จะต้องสร้างเครื่องตรวจจับที่มีขนาดพอๆ กับกาแลคซีโดยการตามรอยสัญญาณวิทยุจากพัลซาร์ที่กระจัดกระจายอยู่ทั่วทางช้างเผือก ถ้ากาลอวกาศรอบๆ โลกถูกยืดออกหรือบีบคั้น สัญญาณจากพัลซาร์ก็น่าจะมาถึงโลกเร็วขึ้นหรือช้ากว่าเดิมเล็กน้อย ยิ่งกว่านั้น ความคลาดเคลื่อนของเวลาเหล่านี้ยังควรจะมีความสัมพันธ์กับคุณลักษณะที่เป็นรูปแบบของคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งสัมพัทธภาพทั่วไปบอกว่าผลจากคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังน่าจะส่งผลต่อช่วงเวลาของพัลซาร์แตกต่างกันไปเล็กน้อยตามตำแหน่งเปรียบเทียบของพัลซาร์ ไม่ได้เป็นความคลาดเคลื่อนแบบสุ่ม

โครงสร้างคร่าวๆ ของมาตรแทรกสอดเลเซอร์ที่ LIGO ซึ่งแต่ละแขนยาว 4 กิโลเมตร เรียงตัวเป็นรูปตัว L 

     หลังจากตามรอยเวลา(การมาถึง) ของพัลซาร์ 47 แห่งตั้งแต่ปี 2004 ทีม NANOGrav เชื่อมั่นว่าพวกเขาได้พบชิ้นส่วนปริศนาชิ้นแรกแล้ว พวกเขาได้ค้นพบว่าเวลาจากพัลซาร์สามารถแปรผันได้ถึงหลายร้อยนาโนวินาที เรากำลังได้เห็นหลักฐานของสัญญาณที่ค่อนข้างชัดเจนอย่างไม่น่าเชื่อ Joseph Simon สมาชิกทีม NANOGrav จากมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ กล่าวในการแถลงข่าวออนไลน์ในการประชุมสมาคมดาราศาสตร์อเมริกัน

     ชุดข้อมูลของพวกเขาไม่ได้แสดงว่าความคลาดเคลื่อนเวลานั้นมีความสัมพันธ์กัน ซึ่งหมายความว่าทีมก็ยังไม่ได้บอกว่าตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงแล้ว อย่างไรก็ตาม พวกเขาสามารถกำจัดคำอธิบายทางเลือกอื่นของความคลาดเคลื่อนได้ เช่น ความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวลของระบบสุริยะ และการรบกวนจากฝุ่นในห้วงอวกาศ

     นักดาราศาสตร์หลายคนคิดว่า NANOGrav มาถูกทางแล้ว Holley-Bockelmann กล่าว ทีมได้ทำการสำรวจมากมายและยังทำการวิเคราะห์ทางสถิติด้วย ดังนั้นฉันจึงเชื่อมั่นว่าพวกเขาได้เห็นบางสิ่งที่ไม่ปกติจริง

     ความจริงที่ว่าหลักฐานนี้ยังคงไม่ชัดเจนก็ไม่ใช่เรื่องที่น่าแปลกใจเกินไปแต่อย่างใด Alan Weinstein นักดาราศาสตร์คาลเทค และนักวิจัย LIGO กล่าว เราค่อนข้างโชคดีที่สัญญาณแรกนี้ดังและชัด เราคาดว่าหลักฐานแรกน่าจะมาแบบอ่อนๆ มีความคลาดเคลื่อนมาก และก็เป็นไปได้ว่าจะทำให้ NANOGrav ต้องเริ่มตรวจสอบมัน น่าจะมีหลักฐานเพิ่มเติมตามมาจากโครงการลักษณะคล้ายๆ กัน เช่น PPTA(Parkes Pulsar Timing Array) ในออสเตรเลีย ซึ่งเริ่มทำงานในช่วงเวลาใกล้เคียงกับ NANOGrav George Hobbs จาก CSIRO ซึ่งนำโครงการหลังนี้บอกว่า PPTA จะนำเสนอการวิเคราะห์การสำรวจได้ในเร็วๆ นี้ ด้วยผลสรุปที่คล้ายๆ กัน

     ผลสรุปจาก NANOGrav นั้นมีความน่าเชื่อถือมากกว่าสัญญาณลวงที่เคยพบในอดีต เขากล่าว แต่กระนั้น Hobbs ก็เตือนว่าอย่าเพิ่งด่วนสรุปไป เมื่อจนถึงตอนนี้มีคนบอกมาตลอด 15 ปีว่า นี่เราเจอคลื่นความโน้มถ่วงในข้อมูลนะ แต่เราก็จะต้องระวังในเวลาเดียวกัน

      โชคดีที่ NANOGrav มีข้อมูลเพิ่มเติม 2.5 ปีจากทั้งกรีนแบงค์และอาเรสิโบ โดยที่อาเรสิโบทำการสำรวจพัลซาร์จนกระทั่งต้องปิดการทำงานหลังจากเกิดความเสียหายกับกล้องในเดือนสิงหาคม 2020 ซึ่งสุดท้ายก็ทำให้กล้องพังในเดือนธันวาคม การสูญเสียอาเรสิโบเป็นเรื่องน่าใจหายสำหรับ NANOGrav แต่แบบจำลองเสมือนจริงของทีมก็บอกว่าข้อมูลที่พวกเขามีก็น่าจะเพียงพอที่จะเผยให้เห็นความเกี่ยวข้องในเวลาระหว่างพัลซาร์แล้ว ถ้ามันมีอยู่จริง แต่ขณะนี้พวกเขายังอยากจะทำวิเคราะห์มัน ซึ่งทีมหวังว่าจะเสร็จสิ้นในอีกสองปีข้างหน้า Scott Ransom ประธานโครงการ และนักวิจัยที่หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติ กล่าว

     การพยายามตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยเครือข่ายจับเวลาพัลซาร์ต้องการความอดทน Ransom กล่าว ขณะนี้เรากำลังวิเคราะห์ข้อมูลจากตลอดสิบกว่าปี แต่การตรวจจับที่แน่ชัดจะต้องใช้ข้อมูลตลอดหลายสิบปี

     ถ้าพวกเขาประสบความสำเร็จในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้จริง มันก็น่าจะเปิดยุคใหม่เอี่ยมสู่การศึกษาสเปคตรัมคลื่นความโน้มถ่วง NANOGrav และ LIGO จะเติมเต็มซึ่งกันและกันได้อย่างน่าประทับใจ Weinstein กล่าว ถ้าคุณเปรียบเทียบกับการสำรวจคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(คลื่นแสง) NANOGrav ก็เหมือนกับดาราศาสตร์วิทยุ ในขณะที่ LIGO ก็เหมือนกับดาราศาสตร์ช่วงตาเห็น พวกมันเห็นแหล่งที่แตกต่างกัน

     ในกรณีของหลุมดำมวลมหาศาลคู่ นักดาราศาสตร์หวังว่าคลื่นความโน้มถ่วงจะบอกถึงฟิสิกส์ว่าพวกมันพัฒนาอย่างไร บางทีอาจจะไขปัญหาพาร์เซคสุดท้าย(final parsec problem) ซึ่งเป็นความไม่สามารถในทางทฤษฎีที่จะทำให้คู่ของหลุมดำเสียพลังงานการโคจรได้มากพอที่จะเข้าใกล้กันในช่วงระยะทางไม่กี่ปีแสงสุดท้าย

ในทางทฤษฎี การควบรวมของหลุมดำจะพบกับปัญหาพาร์เซคสุดท้าย เมื่อหลุมดำคู่ที่หมุนวนรอบกันและกันด้วยวงโคจรที่หดสั้นลง พร้อมกับการเปล่งคลื่นความโน้มถ่วงออกมา แต่ในขณะรอบๆ คู่หลุมดำมวลมหาศาลนั้นมีมวลสารอยู่หนาแน่นแออัดมาก แต่นักวิจัยบอกว่าปัญหาอาจแก้ได้ด้วยหลุมดำแห่งที่สาม

     เพื่อความร่วมมือในการศึกษาลักษณะนี้ และเนื่องจากอาเรสิโบพังแล้ว นักดาราศาสตร์ก็ได้เตรียมตัวขยายการดำเนินงานเครือข่ายจับเวลาพัลซาร์ให้ใหญ่ขึ้น NANOGrav และ PPTA เป็นพันธมิตรใน IPTA(International Pulsar Timing Array) ซึ่งเป็นความพยายามในการรวมการสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์รอบโลก ซึ่งรวมถึงเครือข่ายของยุโรป และจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุของจีน(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio telescope) ซึ่งเป็นจานวิทยุเดี่ยวที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก Ransom ยังบอกว่า NANOGrav กำลังเจรจาอย่างหนักกับหอสังเกตการณ์กรีนแบงค์และเจ้าของคือมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ(NSF) เพื่อขอเวลาสำรวจมากขึ้น ส่วนหนึ่งก็เพื่อชดเชยการสูญเสียอาเรสิโบไป

     อาเรสิโบที่พังไปยังเพิ่มความเร่งด่วนให้ IPTA เริ่มต้นให้เร็วขึ้น แต่ก็เป็นเป้าหมายที่โหดหินที่จะทำการวิเคราะห์ซึ่งต้องรวมข้อมูลจากกล้องวิทยุหลายตัว ซึ่งแต่ละตัวก็มีลักษณะเฉพาะของเครื่องมือในตัวเอง จึงซับซ้อนมากขึ้นและก็ต้องใช้เวลาเพิ่มขึ้นอีกมาก และก็ไม่มีงบมากพอที่จะทำงานด้วย Ransom กล่าว นั้นแหละปัญหา เราสามารถทำให้ IPTA ทำงานได้อย่างถูกต้อง เรามีความไวเพิ่มขึ้นราวสองเท่าอย่างอัตโนมัติ มากกว่าเครือข่ายจับเวลาพัลซาร์เดี่ยวๆ

 

แหล่งข่าว astronomy.com : astronomers edge closer to detecting background sea of gravitational waves
                spaceref.com : gravitational wave search finds tantalizing new clue