ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยกล้องรังสีแกมมา

 

     เอกภพของเรานั้นเป็นทะเลของระลอกในกาลอวกาศที่เรียกว่า คลื่นความโน้มถ่วง นักดาราศาสตร์คิดว่าคลื่นที่มาจากคู่หลุมดำมวลมหาศาลที่โคจรรอบกันและกันในกาแลคซีที่อยู่ห่างไกล น่าจะมีความยาวหลักปีแสง และพยายามสำรวจหาพวกมันมาหลายสิบปี และขณะนี้พวกเขาก็ก้าวหน้าไปอีกขั้นต้องขอบคุณกล้องโทรทรรศน์อวกาศเฟอร์มี

     เฟอร์มีตรวจจับรังสีแกมมา ซึ่งเป็นแสงในรูปแบบที่มีพลังงานสูงสุด ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติได้ตรวจสอบข้อมูลเฟอร์มีสิบกว่าปีที่สำรวจพัลซาร์(pulsar) ซึ่งเป็นซากแกนกลางหมุนรอบตัวเร็วมากของดาวที่ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา พวกเขามองหาความแปรผันเล็กน้อยที่เกิดกับเวลาที่สัญญาณรังสีแกมมาจากพัลซาร์มาถึงโลก การเปลี่ยนแปลงซึ่งอาจมีสาเหตุจากแสงที่ผ่านคลื่นความโน้มถ่วงในเส้นทางมายังโลก แต่พวกเขาก็ไม่พบอะไรเลย

      แต่การไม่พบอะไรเลยก็คือการค้นพบ การวิเคราะห์แสดงว่าด้วยการสำรวจที่มากขึ้น คลื่นเหล่านี้น่าจะอยู่ในวิสัยการสำรวจของเฟอร์มีได้ เราค่อนข้างประหลาดใจเมื่อเราพบว่าเฟอร์มีน่าจะช่วยเราตามล่าคลื่นความโน้มถ่วงแบบยาวได้ Matthew Kerr นักฟิสิกส์วิจัยที่ห้องทดลองวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯ ในวอชิงตัน กล่าว มันเป็นเรื่องเหล้าเก่าในขวดใหม่ เมื่อมีการสำรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงในช่วงวิทยุมาหลายปีแล้ว แต่เฟอร์มีและรังสีแกมมาก็มีคุณลักษณะพิเศษบางอย่างที่ทำให้มันเป็นเครื่องมือที่ทรงพลังอย่างมากในการสำรวจหานี้

ลอยอยู่เหนือโลก 500 กิโลเมตร กล้องโทรทรรศน์เฟอร์มีรวบรวมรังสีแกมมาจากพัลซาร์เสี้ยววินาที เมื่อโฟตอนพลังงานสูงเหล่านั้นเดินทางข้ามทางช้างเผือกมา พวกมันจะผ่านทะเลของคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำที่เกิดจากหลุมดำมวลมหาศาลคู่หนึ่งชนกันในใจกลางกาแลคซีที่ควบรวมกัน ระลอกซึ่งมีความยาวคลื่นเกินกว่า 1 ร้อยล้านล้านกิโลเมตร เป็นสาเหตุให้โฟตอนมาถึงเร็วเกินหรือล่าช้ากว่าที่คาดไว้ การจับตาดูรังสีแกมมาจากพัลซาร์เสี้ยววินาทีจำนวนมากเหล่านี้ซึ่งเรียกการทดลองว่า เครือข่ายจับเวลาพัลซาร์ สามารถเผยให้เห็นร่องรอยสัญญาณได้ ก่อนหน้านี้เคยใช้เฉพาะกล้องโทรทรรศน์วิทยุตรวจสอบ ขณะนี้ข้อมูลจากเฟอร์มีในรังสีแกมมาก็สร้างเครือข่ายจับเวลาพัลซาร์รังสีแกมมาซึ่งชัดเจนมากกว่า

      ผลสรุปจากการศึกษาซึ่งมี Kerr นำทีมร่วมกับ Aditya Parthasarathy นักวิจัยที่สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์วิทยุ(MPIfR) ในบอนน์ เจอรมนี เผยแพร่ออนไลน์โดยวารสาร Science วันที่ 7 เมษายน

     เมื่อวัตถุมวลสูงมีความเร่ง(ความเร็วเพิ่มขึ้น) พวกมันจะสร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่เดินทางด้วยความเร็วแสง LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ได้พบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกในปี 2015 จะสามารถรับรู้ระลอกที่มีความยาวหลายสิบหรือหลายร้อยกิโลเมตรจากยอดถึงยอดได้ ซึ่งจะม้วนผ่านโลกในเวลาเพียงเสี้ยววินาที ส่วนหอสังเกตการณ์ในอวกาศ LISA(Laser Interferometer Space Antenna) น่าจะพบคลื่นที่ยาวหลายล้านจนถึงหลายพันล้านกิโลเมตรได้

     แต่ที่ Kerr และทีมกำลังค้นหา เป็นคลื่นที่ยาวในระดับปีแสง(หรือหลักล้านล้านกิโลเมตร) ซึ่งยาวและใช้เวลาเป็นปีเพื่อเคลื่อนที่ผ่านโลก ระลอกที่เนิบยาวเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง ซึ่งเป็นทะเลของคลื่นที่เกิดขึ้นจากคู่หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) ในใจกลางกาแลคซีที่ควบรวมกัน เมื่อกาแลคซีถูกดึงเข้าหากันและกันด้วยแรงโน้มถ่วงมหาศาล และเมื่อพวกมันควบรวมกันหลุมดำของพวกมันก็จะจมลงสู่ใจกลางกาแลคซีใหม่ เมื่อหลุมดำหมุนวนเข้าหากันและกันและชนกัน เมื่อเอกภพเต็มไปด้วยกาแลคซี(และหลุมดำ) ที่ควบรวมกันเช่นนี้ เอกภพจึงเต็มไปด้วยระลอกในกาลอวกาศความถี่ต่ำ   

ภาพแสดงคลื่นความโน้มถ่วงทีเปล่งออกจากหลุมดำสองแห่งที่มีมวลเท่ากัน เมื่อพวกมันหมุนวนไปรอบกันและกัน ระลอกสีส้มเป็นการรบกวนผืนกาลอวกาศ ซึ่งเกิดจากมวลที่หมุนรอบตัวเร็ว การรบกวนเหล่านี้แผ่กระจายออกและอ่อนแรงลง กลายเป็นคลื่นความโน้มถ่วง(สีม่วง) แบบจำลองเสมือนจริงนี้แสดงจากซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ไพลอาดีส ที่ศูนย์วิจัยเอมส์ของนาซา

    เพื่อที่จะค้นหา นักวิทยาศาสตร์ต้องการเครื่องตรวจจับระดับกาแลคซีที่เรียกว่า เครือข่ายจับเวลาพัลซาร์(pulsar timing arrays) เครือข่ายเหล่านี้ใช้ชุดพัลซาร์เสี้ยววินาที(millisecond pulsar) ซึ่งหมุนรอบตัวเร็วมากพอๆ กับเครื่องบดปั่นในครัว(หลายร้อยรอบต่อวินาที) พัลซาร์เสี้ยววินาทีจะกวาดลำแสงตั้งแต่คลื่นวิทยุจนถึงรังสีแกมมา ผ่านแนวสายตาของเรา ปรากฏเสมือนว่าเป็นจังหวะ(pulse) ด้วยความสม่ำเสมออย่างไม่น่าเชื่อราวกับเป็นนาฬิกาเอกภพ

     เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงยาว กวาดผ่านระหว่างหนึ่งในพัลซาร์เหล่านั้นกับโลก พวกมันจะทำให้สัญญาณมาถึงล่าช้าหรือมาก่อนเวลา ในระดับพันล้านส่วนของวินาที ด้วยการมองหารูปแบบการแปรผันของจังหวะที่จำเพาะจากพัลซาร์ในเครือข่าย นักวิทยาศาสตร์คาดว่าพวกมันจะเผยให้เห็นคลื่นความโน้มถ่วงที่ม้วนผ่านได้

    นักดาราศาสตร์วิทยุได้ใช้เครือข่ายจับเวลาพัลซาร์มาหลายทศวรรษแล้ว และการสำรวจก็ไวที่สุดกับคลื่นความโน้มถ่วงเหล่านั้น แต่ผลในอวกาศก็ทำให้การวิเคราะห์ข้อมูลวิทยุต้องซับซ้อนมากขึ้น อวกาศนั้นมีอิเลคตรอนพเนจร(stray electron) ซึ่งเมื่อเดินทางมาหลายปีแสง ผลโดยรวมจะบิดเบนเส้นทางคลื่นวิทยุไป สิ่งนี้จะส่งผลต่อเวลาการมาถึงของจังหวะที่ความถี่แตกต่างกัน แต่รังสีแกมมาไม่พบกับผลกระทบเหล่านั้น จึงเป็นการตรวจสอบที่ทั้งสมบูรณ์แบบและยืนยันผลสรุปจากวิทยุได้อีกทาง

เครือข่ายจับเวลาพัลซาร์ 

     Parthasarathy กล่าวว่า เมื่อเทียบถึงศักยภาพในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังแล้ว ผลสรุปเฟอร์มีอยู่ในระดับ 30% ของเครือข่ายจับเวลาพัลซาร์ในช่วงวิทยุแล้ว ถ้ามีการรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลพัลซาร์ต่ออีก 5 ปี มันก็คงจะใกล้เคียงกัน โดยมีข้อได้เปรียบพิเศษที่ไม่ต้องกังวลใดๆ เรื่องอิเลคตรอนพเนจรในอวกาศเลย ภายในทศวรรษหน้า นักดาราศาสตร์ทั้งคลื่นวิทยุและรังสีแกมมา คาดว่าจะเข้าถึงระดับความไวที่จะช่วยให้พวกเขาได้พบคลื่นความโน้มถ่วงจากคู่หลุมดำยักษ์ที่กำลังหมุนวนเข้าหากัน

     Judith Racusin ผู้ช่วยนักวิทยาศาสตร์โครงการเฟอร์มีที่ศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ดของนาซา กล่าวว่า ความสามารถอันน่าเหลือเชื่อของเฟอร์มีในการจับเวลาการมาถึงของรังสีแกมมาได้อย่างแม่นยำ กับพื้นที่การสำรวจที่กว้าง ทำให้การตรวจสอบนี้เป็นไปได้ นับตั้งแต่ที่มันถูกส่งออก ปฏิบัติการก็สร้างความประหลาดใจให้กับเราอย่างต่อเนื่องด้วยการค้นพบใหม่ๆ จากท้องฟ้าในช่วงรังสีแกมมา เรากำลังเฝ้ารอการค้นพบที่น่ามหัศจรรย์ครั้งต่อไป

     เครือข่ายจับเวลาพัลซาร์รังสีแกมมา เป็นสิ่งที่คาดไม่ถึงก่อนการนำส่งเฟอร์มี จะกลายเป็นหนทางใหม่ในการศึกษาดาราศาสตร์ฟิสิกส์คลื่นความโน้มถ่วง Michael Kramer ผู้อำนวยการ MPIfR และหัวหน้าแผนกฟิสิกส์พื้นฐานในงานวิจัยดาราศาสตร์วิทยุของสถาบัน กล่าวสรุปว่า การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังด้วยพัลซาร์อยู่ในวิสัยที่เข้าถึงได้แม้จะยาก วิธีที่แตกต่างไปซึ่งแสดงในงานวิจัยใหม่ผ่านเฟอร์มีจึงเป็นข่าวดีมาก ทั้งการยืนยันการค้นพบในอนาคต และในการประสานกับการทดลองช่วงวิทยุ

ความยาวของคลื่นความโน้มถ่วงขึ้นอยู่กับแหล่งที่มา ดังแสดงในอินโฟกราฟฟิค จึงต้องใช้เครื่องตรวจสอบชนิดที่แตกต่างกันเพื่อศึกษาครอบคลุมสเปคตรัมให้มากที่สุด

แหล่งข่าว spaceref.com : Fermi hunts for gravitational waves from monster black holes
                phys.org : Fermi satellite hunts for extremely long wave length gravitational wave signals