คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังในเอกภพ

 

การชนที่รุนแรงในเอกภพได้สร้างคลื่นความโน้มถ่วงตลอดความเป็นมาของเอกภพ จนน่าจะสร้างคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังทิ้งไว้ในกาลอวกาศ

     นับตั้งแต่ที่นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่มาจากหลุมดำชนกันได้เป็นครั้งแรกในปี 2015 หลักฐานก็เพิ่มพูนขึ้นว่าเอกภพนั้นเต็มไปด้วยคลื่นชนิดนี้ เหตุการณ์ใหญ่ๆ ทุกเหตุการณ์ ทั้งการชนของหลุมดำหรือดาวนิวตรอน หรือกระทั่งซุปเปอร์โนวาทุกเหตุการณ์ ก็น่าจะส่งคลื่นความโน้มถ่วงสะเทือนข้ามห้วงกาลอวกาศมา

      ผลโดยรวมจากคลื่นเหล่านี้ทั้งหมดน่าจะสร้างเป็นเสียงฮัมแผ่วๆ ในพื้นหลังไปทั่วเอกภพ คล้ายกันกับเสียงรบกวนพื้นหลังที่มาจากเสียงเซ็งแซ่ในหอประชุมที่มีคนแออัด มีการทำนายว่าคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง(gravitational wave background) นี้น่าจะแผ่วเบาและตรวจจับได้ยากมากๆ แต่กระนั้น เมื่อปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์ในกลุ่มความร่วมมือนานาชาติ NANOGrav ก็บอกว่าพวกเขาอาจจะพบแล้ว ขณะนี้ กลุ่มความร่วมมือเครือข่ายจับเวลาพัลซาร์นานาชาติ(International Pulsar Timing Array; IPTA) ได้ให้หลักฐานใหม่ว่าเราอาจจะตรวจจับเสียงฮัมเบานั้นแล้ว ซึ่งถ้ายืนยันก็จะเป็นเรื่องใหญ่มาก Siyuan Chen นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากหอสังเกตการณ์แห่งปารีส และ CNRS ในฝรั่งเศส กล่าวว่า นี่เป็นสัญญาณที่น่าตื่นเต้นมากๆ แม้ว่าเราจะยังไม่มีหลักฐานที่หนักแน่น เราอาจจะเพิ่งเริ่มตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังเอง ผลสรุปนี้ยิ่งเน้นย้ำ การปรากฏขึ้นของสัญญาณคล้ายๆ กันอย่างต่อเนื่อง ซึ่งพบในชุดข้อมูลแต่ละชุดที่มาจากกลุ่มความร่วมมือที่จับเวลาสัญญาณของพัลซาร์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานี้

    IPTA ร่วมมือกับกลุ่มความร่วมมือทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์หลายกลุ่มจากทั่วโลก เพิ่งเสร็จสิ้นการสำรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงในการเผยแพร่ข้อมูลอย่างเป็นทางการครั้งล่าสุดที่เรียกว่า DR2(Data Release 2) ชุดข้อมูลนี้ประกอบด้วยข้อมูลการจับเวลาที่แม่นยำจากพัลซาร์เสี้ยววินาที(millisecond pulsar) 65 แห่ง DR2 เป็นการรวมชุดข้อมูลอิสระ 3 ชุดจากสมาชิกผู้ก่อตั้ง IPTA คือ EPTA(European Pulsar Timing Array), NANOGrav(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) และ PPTA(Parkes Pulsar Timing Array) ในออสเตรเลีย

     พัลซาร์เสี้ยววินาที(millisecond pulsar) พวกมันเป็นดาวนิวตรอน(neutron star) ซึ่งเป็นซากดาวที่เปล่งลำคลื่นวิทยุแคบๆ ออกมาจากขั้วแม่เหล็กของพวกมัน หมุนรอบตัวด้วยความเร็วสูงหลายร้อยรอบต่อวินาที เร็วพอๆ กับเครื่องบดสับในครัว ลำคลื่นวาดไปรอบๆ ดูเหมือนเป็นจังหวะ(pulses) สัญญาณมาถึงด้วยเวลาที่แม่นยำอย่างไม่น่าเชื่อ

การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากหอสังเกตการณ์บนโลกใช้การสะท้อนเลเซอร์จากกระจก จะบอกถึงระลอกในกาลอวกาศที่เกิดขึ้นด้วยความถี่สูง ซึ่งมาจากการชนและควบรวมวัตถุมวลไม่สูงมาก อย่างเป็น ดาวนิวตรอน หรือหลุมดำขนาดเล็ก แต่สำหรับคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำยักษ์ในใจกลางกาแลคซี คลื่นมีความถี่ที่ต่ำมาก ต้องใช้การสังเกตการณ์ที่มีเส้นฐาน(baseline) ระดับล้านกิโลเมตรหรือมากกว่านั้น การใช้พัลซาร์จึงช่วยได้

     การเปลี่ยนแปลงในเวลามาถึงของสัญญาณ สามารถใช้เพื่อนำร่อง, เพื่อสำรวจตัวกลางในอวกาศ(interstellar medium) และศึกษาแรงโน้มถ่วง นับตั้งแต่การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง นักดาราศาสตร์เองก็ใช้พวกมันเพื่อตรวจสอบด้วย นั้นเป็นเพราะคลื่นความโน้มถ่วงจะทำให้กาลอวกาศยืดและหด เมื่อคลื่นวิ่งผ่าน ซึ่งในทางทฤษฎีแล้ว ก็น่าจะเปลี่ยนแปลงเวลาการมาถึงของจังหวะวิทยุจากพัลซาร์นั้นไปเล็กน้อย(มากๆ) เมื่อกาลอวกาศระหว่างเรากับพัลซาร์ยืดและหดตัว พัลซาร์เพียงแห่งเดียวบอกอะไรเราไม่ได้มากนัก แต่ถ้าความคลาดเคลื่อนในเวลา(timing variation) เหล่านี้สำรวจในพัลซาร์จำนวนหนึ่ง ก็น่าจะบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงได้ ซึ่งวิธีการนี้เรียกว่า เครือข่ายจับเวลาพัลซาร์(pulsar timing array)

     ชุดข้อมูลของทีมมีพื้นฐานมาจากการสำรวจพัลซาร์เสี้ยววินาที 65 แห่ง ความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นมีคุณลักษณะที่สอดคล้องกับสิ่งที่เราทำนายไว้จากคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง แต่นี่ก็ยังไม่ใช่หลักฐานที่แน่ชัด แต่ก็ขยับเข้าไปใกล้อีกก้าว

     สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์อยากเห็นจริงๆ ก็คือ สัญญาณที่จำเพาะในแต่ละคู่พัลซาร์, ความแรงซึ่งจะขึ้นอยู่กับระยะห่างบนท้องฟ้าในคู่พัลซาร์เอง ซึ่งเรายังไม่ได้เห็นเนื่องจากสัญญาณนั้นอ่อนเกินไป แต่สัญญาณที่เราได้ตอนนี้ก็เป็นไปตามที่คาดไว้ว่าจะได้พบก่อน

     เงื่อนงำแรกของคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง ก็น่าจะเป็นสัญญาณอย่างที่ได้เห็นใน IPTA DR2 Bhal Chandra Joshi นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ศูนย์เพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์วิทยุแห่งชาติ ในอินเดีย กล่าว จากนั้น เมื่อมีข้อมูลมากขึ้น สัญญาณก็จะปรากฏชัดขึ้นและเริ่มแสดงความสัมพันธ์ที่จำเพาะมากขึ้นกับตำแหน่งในอวกาศ ซึ่งในจุดนั้นเองที่เราจะบอกได้ว่ามันเป็นคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังจริงๆ เรากำลังเฝ้าคอยที่จะได้ข้อมูลอีกหลายปีของ IPTA เพื่อช่วยให้บรรลุถึงเป้าหมายการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง

ภาพอธิบายคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง(สีม่วง) ส่งผลต่อสัญญาณจากพัลซาร์เสี้ยววินาที(millisecond pulsars-วงกลมสีขาวที่มีเส้นยาว) เมื่อคลื่นเดินทางมายังโลก(ก้อนสีฟ้า) 

      แต่อย่างไรก็ตาม สัญญาณก็ยังอาจมีสาเหตุจากสิ่งอื่น Boris Goncharov นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ กล่าวว่า เราก็ต้องพิจารณาว่าสัญญาณอาจจะมาจากสิ่งใดได้อีก ยกตัวอย่างเช่น บางทีอาจจะเป็นผลจากสัญญาณรบกวน(noise) ที่มีในข้อมูลพัลซาร์แต่ละแห่งเอง ซึ่งในการวิเคราะห์ไม่ได้ตระหนักถึง นี่หมายความว่า ยังมีงานวิทยาศาสตร์ที่ต้องทำอีกมากก่อนที่เราจะสามารถพูดได้แน่ชัดว่าได้ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังแล้ว แต่เมื่อมีหลักฐานมา ก็เริ่มตื่นเต้นได้บ้าง

      นั้นเป็นเพราะ ถ้าเราได้ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังจริง แหล่งที่เป็นไปได้มากที่สุดก็คือ มาจากการชนกันของวัตถุที่มีมวลสูงที่สุดในเอกภพ คือ หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) นี่หมายความว่า สัญญาณนี้น่าจะช่วยไขปัญหาพาร์เซคสุดท้าย(final parsec problem) ซึ่งบอกว่าหลุมดำมวลมหาศาลไม่สามารถควบรวมกันได้ และจะช่วยเราให้เข้าใจวิวัฒนาการและการเจริญของกาแลคซีได้ดีขึ้น

     การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากประชากรคู่หลุมดำมวลสูง หรือจากแหล่งอื่นๆ จะช่วยให้เรามีแง่มุมอันไม่น่าเชื่อสู่การก่อตัวและการเจริญของกาแลคซี หรือกระบวนการทางเอกภพวิทยาที่เกิดขึ้นในเอกภพเยาว์วัย Alberto Vecchio นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ผู้อำนวยการสถาบันเพื่อดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง ที่มหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม ในสหราชอาณาจักร กล่าว ต้องใช้ความพยายามระดับนานาชาติครั้งใหญ่แบบ IPTA นี้เพื่อให้บรรลุถึงเป้าหมายนี้ และในอีกไม่กี่ปีต่อจากนี้ ก็น่าจะนำเราไปสู่ยุคทองของการสำรวจ(คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง) เหล่านี้ในเอกภพ งานวิจัยเผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society วันที่ 12 มกราคม

แหล่งข่าว sciencealert.com : scientists have detected a faint hint of the background hum of the universe 
                phys.org : international collaboration offers new evidence of a gravitational wave background
                space.com : gravitational waves play with fast spinning stars, study suggests