สึนามิของคลื่นความโน้มถ่วง

 

     ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติซึ่งรวมถึงนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย(ANU) ได้เผยบัญชีคลื่นความโน้มถ่วงในจำนวนที่มากที่สุดเท่าที่เคยพบ การค้นพบจะช่วยไขปริศนาที่ซับซ้อนที่สุดบางส่วนของเอกภพ ซึ่งรวมถึงวัตถุดิบของสสาร และการทำงานของอวกาศและเวลา

     การศึกษาของทีมจากทั่วโลกนี้เผยแพร่ใน arXiv เป็นการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงใหม่ 35 เหตุการณ์ที่เกิดจากการควบรวมของหลุมดำคู่ หรือดาวนิวตรอนชนกับหลุมดำ โดยใช้หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), Virgo และ KAGRA(Kamioka Gravitational Wave Detector) นี่ทำให้จำนวนรวมการตรวจจับเพิ่มเป็น 90 เหตุการณ์ จากการเดินเครื่องการสำรวจสามช่วงตั้งแต่ปี 2015 ถึง 2020

     บัญชีรายชื่อรวมการชนที่เกิดจากช่วงครึ่งหลังของการเดินเครื่องสำรวจครั้งที่สาม(O3b) ระหว่างพฤศจิกายน 2019 ถึงมีนาคม 2020 ซึ่งการเดินเครื่องครั้งนี้รวม Virgo ในอิตาลี และ LIGO อีกสองแห่งในสหรัฐฯ และโครงการ KAGRA ของญี่ปุ่นก็มาร่วมงานในช่วงสองสัปดาห์สุดท้าย เครื่องตรวจจับทั้งสี่ใช้เลเซอร์ที่สะท้อนออกจากกระจกเพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงระยะทางเพียงน้อยนิด เมื่อห้วงกาลอวกาศหดและยืดออกเมื่อมีคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางผ่านมา

หลักการของมาตรแทรกสอด(interferometer) ที่ใช้เพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง เมื่อระยะทางระหว่างกระจกยืด-หดเล็กน้อย ทำให้เวลาที่เลเซอร์เดินทางจากกระจกแบ่งแสงไปยังกระจกปลายทางและสะท้อนกลับมา ในสองทิศทางไม่เท่ากัน คลื่นจากสองทิศทางลบล้างกันและกันไม่หมด 

     เมื่อเริ่ม O3 กลุ่มความร่วมมือ LVK ได้สร้างการแจ้งเตือนสาธารณะเมื่อเกิดเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงขึ้น เพื่อให้เกิดการตอบสนองจากนักดาราศาสตร์อย่างรวดเร็ว ที่จะมองหาแสงเรืองใดๆ จากดาวนิวตรอนหรือหลุมดำที่ควบรวม หลุมดำคู่โดยปกติจะไม่มีแสงออกมา ยกเว้นแต่ว่าพวกมันล้อมรอบด้วยก๊าซ O3b เตือนออกมา 39 ครั้งซึ่งไม่มีครั้งใดที่มีแสงเลย   

     การตรวจจับใหม่มาจากเหตุการณ์ขนาดใหญ่ในอวกาศ ซึ่งเกือบทั้งหมดเกิดขึ้นไกลออกไปหลายพันล้านปีแสง ส่งระลอกผ่านห้วงกาลอวกาศมา รวมถึงการควบรวมของหลุมดำ 32 คู่ และการชนที่น่าจะเป็นดาวนิวตรอนกับหลุมดำอีก 2 คู่ และอีก 1 เหตุการณ์ที่ยังไม่ทราบชนิดของวัตถุที่เกี่ยวข้อง

     บัญชีรายชื่อใหม่เพิ่มขึ้นจากเฉลี่ย 1.5 เหตุการณ์ต่อสัปดาห์ที่พบในการเดินเครื่องครั้งที่แล้ว เป็นเฉลี่ย 1.7 เหตุการณ์ต่อสัปดาห์   

     นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลียเป็นหนึ่งในแกนหลักในทีมที่ทำการสำรวจและพัฒนาเทคโนโลจีที่ละเอียดอ่อนเพื่อตามล่าคลื่นความโน้มถ่วงที่ล่องลอยข้ามเอกภพอันไกลโพ้นมา Susan Scott ศาสตราภิชานจากศูนย์เพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ความโน้มถ่วง มหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย กล่าวถึงการค้นพบล่าสุดเหมือนกับเป็น สึนามิ และเป็น ย่างก้าวที่สำคัญสู่ภารกิจเพื่อไขความลับวิวัฒนาการเอกภพ การค้นพบเหล่านี้มีจำนวนเพิ่มเป็นสิบเท่าของคลื่นความโน้มถ่วงเมื่อ LIGO และ Virgo เริ่มต้นสำรวจ เธอกล่าว เราได้พบ 35 เหตุการณ์ นี่มากมาย เมื่อเทียบกับที่พบ 3 เหตุการณ์ในช่วงการเดินเครื่องสำรวจครั้งแรกที่ยาวสี่เดือนในปี 2015-16

     นี่สิถึงเป็นยุคสมัยใหม่สำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง และจำนวนการค้นพบที่เพิ่มมากขึ้นก็กำลังเผยให้เห็นถึงข้อมูลมากมายเกี่ยวกับชีวิตและความตายของดาวทั่วเอกภพ เมื่อพิจารณามวลและการหมุนรอบตัวของหลุมดำในระบบคู่เหล่านี้ ก็บ่งชี้ว่าระบบเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร

หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO ที่ฮันฟอร์ด และ ลิฟวิงสตัน ในสหรัฐอเมริกา(บนซ้าย ล่างซ้าย ตามลำดับ) KAGRA อยู่ใต้ดิน(บนขวา) และ Virgo ล่างขวา

     บัญชีรายชื่อใหม่ที่เรียกว่า GWTC-3 มีหลายเหตุการณ์ที่น่าจดจำ เหตุการณ์หนึ่งเป็นการชนที่เกี่ยวข้องกับดาวนิวตรอนที่เบาที่สุดเท่าที่เคยพบผ่านวิธีใดๆ อยู่ที่ 1.2 มวลดวงอาทิตย์(กับหลุมดำที่ 33 เท่าดวงอาทิตย์) และอีกหนึ่งเหตุการณ์
(GW200210_092254) ที่ยังไม่ทราบชนิดวัตถุแน่ชัดนั้นเชื่อว่าเกิดจากหลุมดำมวล 24 เท่าดวงอาทิตย์ กับหลุมดำที่เบามากที่ราว 2.8 เท่าดวงอาทิตย์ แต่ในขณะที่นักวิจัยเชื่อว่าเป็นหลุมดำเบา จะสอดคล้องกับคุณสมบัติสัญญาณมากกว่า แต่ก็ยังตัดตัวเลือกดาวนิวตรอนหนักมากไม่ได้

      ในบัญชีนี้ยังมีเหตุการณ์การชนจากหลุมดำที่อวบอ้วนมาก(GW200220_061928) ด้วยมวล 87 และ 61 เท่าดวงอาทิตย์(มวลหลุมดำที่ได้ 141 เท่าดวงอาทิตย์) อยู่ในช่องว่างมวลหลุมดำที่ยากจะหาคำอธิบาย(ทางทฤษฎี) การชนอีกเหตุการณ์ได้สร้างหลุมดำที่ 104 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ซึ่งหลุมดำระดับร้อยเท่าขึ้นไป จะถูกจัดเป็นหลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black holes) เป็นช่วงมวลระหว่าง 100 ถึงราว 1 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งพบหลุมดำเพียงไม่มาก

     บัญชียังมีหลุมดำที่หมุนรอบตัวเหมือนลูกข่างในทิศทางเดียวกันเมื่อพวกมันหมุนไปรอบๆ กันและกัน เป็นการเรียงตัวที่น่าจะเกิดขึ้นถ้าดาวที่ตายเป็นหลุมดำจับคู่กันมาตั้งแต่เกิด แต่ก็ยังมีอีกอย่างน้อย 1 คู่ที่หลุมดำหมุนกลับหัวกลับหางกัน เมื่อเทียบกับวงโคจร

     มันยังสร้างคำถามที่น่าสนใจมากบางอย่างเช่น ระบบพวกนี้เดิมก่อตัวจากดาวฤกษ์สองดวงที่ผ่านวัฎจักรชีวิตไปด้วยกันและต่อมาก็กลายเป็นหลุมดำด้วยกันหรือไม่ หรือเป็นหลุมดำสองแห่งที่พุ่งเข้าหากันในสภาพแวดล้อมที่มีพลวัตหนาแน่นมากเช่นในใจกลางกาแลคซี

     นอกจากจะเผยแพร่บัญชีรายชื่อแล้ว กลุ่มความร่วมมือ LVK ยังเผยแพร่รายงานอีก 3 ฉบับ ซึ่งฉบับหนึ่งเป็นการวิเคราะห์ประชากรความยาว 60 หน้า การศึกษาลักษณะนี้เป็นเชิงสถิติ ไม่ใช่เหตุการณ์เดี่ยวๆ นักวิจัยใช้เหตุการณ์ที่น่าเชื่อถือที่สุด 76 เหตุการณ์ในบัญชีรายชื่อ เพื่อมองดูว่าโดยรวมแล้ว พวกมันกำลังบอกอะไรเลย การศึกษาเชิงประชากรได้เผยเรื่องน่าสนใจหลายอย่าง

ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง 90 เหตุการณ์ ซึ่งเกิดขึ้นจากการควบรวมของหลุมดำหรือไม่ก็ ดาวนิวตรอน หรือเป็นทั้งคู่ จุดต่างๆ ระบุมวลของวัตถุที่ควบรวม และมวลของวัตถุที่สร้างขึ้นมา จุดสีชมพูและเหลืองเป็นการตรวจจับจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 

     อย่างแรก จำนวนของวัตถุที่มีมวลสูงกว่า 2 เท่าดวงอาทิตย์ มีจำนวนที่ลดลงอย่างชัดเจน นักดาราศาสตร์ได้คำนวณไว้ว่าไม่น่าจะได้เห็นวัตถุที่มีมวลระหว่าง 3 ถึง 5 เท่าดวงอาทิตย์อันเนื่องมาจากข้อจำกัดทางกายภาพว่า ดาวนิวตรอนจะมีขนาดใหญ่ได้แค่ไหนเช่นเดียวกับการสำรวจจากระบบคู่ในกาแลคซีของเรา แต่ข้อมูลคลื่นความโน้มถ่วงไม่ได้แสดงขีดจำกัดขั้นสูงในช่องว่างนี้ ข้อมูลบ่งชี้ว่าดาวนิวตรอนไม่สามารถมีมวลเกิน 2.3 เท่าดวงอาทิตย์ ดังนั้นบางทีหลุมดำอาจจะมีขนาดเล็กกว่าที่เราเคยคิดไว้ว่ามันเป็น ซึ่งผลสรุปก่อนหน้านี้ก็สนับสนุนแนวคิดนี้

     ประการที่สอง หลุมดำทุกๆ แห่งไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาให้เท่าเทียมกัน ถ้าคุณมองไปที่หลุมดำใหญ่ในแต่ละคู่ที่ควบรวม หลุมดำหลักจะกระจุกอยู่ในช่วงมวลที่แตกต่างกัน 3 ช่วงคือ 10, 17(โดยประมาณ) และที่ 35 เท่าดวงอาทิตย์ พวกมวล 10 เท่าดวงอาทิตย์มีคำอธิบายว่าไม่น่าจะเกิดจากการจับคู่ในภายหลัง ดังนั้นระบบคู่จะต้องเป็นซากของดาวที่ก่อตัวและตายลงในแบบที่เป็นฝาแฝดแท้ แต่ก็ไม่แน่ชัดว่าเพราะเหตุใดหลุมดำบางส่วนจึงมักจะมีมวลที่ 17 หรือ 35 เท่า

     ประการที่สาม ก็ยังไม่มีหลักฐานสำหรับช่องว่างมวลระดับสูง(upper mass gap) ผลนี้ต่างหากที่ผู้คนให้ความสนใจ นักดาราศาสตร์ทำนายมานานแล้วว่าน่าจะมีสภาพขาดแคลนหลุมดำที่มีมวลระหว่าง 50 ถึง 120 เท่าดวงอาทิตย์ เนื่องจากดาวที่มีขนาดใหญ่พอที่จะสร้างหลุมดำที่ใหญ่ขนาดนี้ ก็จะใหญ่มากพอที่จะฉีกตัวมันเองเมื่อตายลง(ในซุปเปอร์โนวาที่เรียกว่า คู่ไร้เสถียรภาพ; pair-instability supernova) โดยไม่เหลือซาก(หลุมดำ) ทิ้งไว้

     หลุมดำขนาดเกินปกติจากการเดินเครื่องสำรวจก่อนหน้านี้ กลับทำให้นักดาราศาสตร์ต้องงงงัน แต่แม้ว่าข้อมูลล่าสุดจะแสดงจำนวนหลุมดำเหนือ 45 เท่าดวงอาทิตย์ ที่ลดลง แต่ก็ยังไม่ใช่บทสรุป และเราก็ยังไม่เห็นหลุมดำใดๆ ที่มีมวลเหนือระดับ 120 เท่าดวงอาทิตย์ จึงยังไม่พบขอบเขตขั้นสูงของช่องว่างสูงนี้จริงๆ การคำนวณบอกว่าถ้าจะมีช่องว่างอยู่ มันจะเริ่มที่เหนือ 74 เท่าดวงอาทิตย์ สูงกว่าที่เคยคิดไว้

หลุมดำขนาดใหญ่ผิดปกติที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยกำเนิดจากดาวฤกษ์ อาจเป็นหลุมดำที่เกิดจากการควบรวมมาแล้วก่อนหน้านั้น 

     บางที หลุมดำที่ใหญ่อย่างไม่คาดคิดอาจจะไม่ได้มาจากดาวฤกษ์ปกติ แต่พวกมันเป็นหลุมดำรุ่นที่สองที่เกิดจากการควบรวมก่อนหน้านั้น หรืออาจจะอ้วนขึ้นต้องขอบคุณก๊าซที่พวกมันกลืนเข้าไป ลำดับเหตุการณ์ที่แตกต่างเหล่านี้น่าจะเป็นสาเหตุให้หลุมดำหมุนรอบตัวในแบบที่แน่นอน แต่โดยรวมแล้ว การตรวจสอบการหมุนรอบตัวก็ไม่ได้สนับสนุนทฤษฎีอย่างหนึ่งอย่างใดเลย

     LVK จะกลับมาเดินเครื่องการสำรวจครั้งที่ 4 ในช่วงปลายปี 2022 ซึ่งการอัพเกรดอาจจะเพิ่มจำนวนการตรวจจับขึ้นไปอีก 3 เท่า เราอาจจะได้เห็นการเตือนถึง 5 ครั้งต่อสัปดาห์

     Scott ซึ่งยังเป็นหัวหน้าที่ OzGrav(ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery) กล่าวว่าการพัฒนาความไวเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงอย่างต่อเนื่อง ได้ช่วยผลักดันการค้นพบที่เพิ่มขึ้นนี้ เทคโนโลจีใหม่กำลังช่วยให้เราได้สำรวจคลื่นความโน้มถ่วงได้มากกว่าที่เคยเป็นมา เธอกล่าว เราก็ยังได้ตรวจพื้นที่ช่องว่างมวลหลุมดำสองช่วง และทำการทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้มากขึ้น

     สิ่งที่น่าตื่นเต้นจริงๆ อีกอย่างเกี่ยวกับการพัฒนาความไวของเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงอย่างคงที่นี้ ก็คือ นี่ก็จะช่วยนำไปสู่แหล่งคลื่นความโน้มถ่วงใหม่ๆ โดยสิ้นเชิง ซึ่งบางส่วนอาจจะไม่เคยคาดฝันมาก่อน

     เพิ่งจนตอนนี้ที่เราเพิ่งซาบซึ้งกับความหลากหลายอย่างน่าอัศจรรย์ของหลุมดำและดาวนิวตรอน Christopher Berry อาจารย์ที่มหาวิทยาลัยกลาสโกว์ สกอตแลนด์ ซึ่งมีส่วนร่วมในงานวิจัยนี้ กล่าวในแถลงการณ์ ผลสรุปล่าสุดของเราได้พิสูจน์แล้วว่าพวกมันมีหลายขนาดและการจับคู่ เราได้ไขปริศนาที่มีมานานบางส่วนพร้อมๆ กับที่พบปริศนาใหม่ๆ ด้วย ด้วยการใช้การสำรวจเหล่านี้ เรากำลังเข้าใจการไขปริศนาว่าดาวซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของเอกภพนั้นพัฒนาอย่างไร

แหล่งข่าว phys.org : scientists detect a “tsunami” of gravitational waves
               skyandtelescope.com : third gravitational-wave catalog released
                sciencealert.com : astronomers detect a “tsunami” of gravitational waves. Here’s where they’re coming from
               space.com : gravitational wave treasure trove shows black holes, neutron stars colliding
               iflscience.com : whopping 35 new black hole collisions spotted, including one merger mystery