เปิดประตูสู่การศึกษาเอกภพด้วยคลื่นความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์

 

          เป็นเวลา 100 ปีหลังจากอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้ทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง นักวิทยาศาสตร์แห่ง The Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory หรือ LIGO ได้ยืนยันการวัดคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งแรก โดยสามารถวัดคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมกันของหลุมดำ 2 หลุม ซึ่งมีมวล 29 และ 36 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ อยู่ห่างจากโลก 1,300 ล้านปีแสง หลุมดำทั้งสอง โคจรรอบกันและกันก่อนที่จะรวมกันกลายเป็นหลุมดำขนาด 62 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งเคลื่อนที่ไปทุกทิศทุกทางด้วยความเร็วแสง เกิดการกระเพื่อมของกาล-อวกาศโดยรอบ นอกจากจะเป็นการยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงและหลุมดำแล้ว ยังเป็นการเปิดประตูบานใหญ่ในการศึกษาเอกภพอีกด้วย

 

          ในปี 1916 ไอน์สไตน์ได้ทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้อธิบายกลไกการเกิดแรงโน้มถ่วงว่ามาจากการโค้งของกาล-อวกาศรอบๆ มวลสาร เมื่อมวลสารเกิดการเคลื่อนที่ กาล-อวกาศจึงเกิดการกระเพื่อม ปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมาทุกทิศทุกทาง เสมือนคลื่นน้ำที่เกิดการกระเพื่อมเมื่อเราโยนก้อนหินลงน้ำ ในเอกภพจึงมีคลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้นมากมาย นับตั้งแต่เอกภพในยุคแรกเริ่มหลังบิ๊กแบง คลื่นความโน้มถ่วงเหล่านี้เคลื่อนที่ไปทั่วทั้งจักรวาล พกพาข้อมูลของกาล-อวกาศในแต่ละยุคไปพร้อมกับการกระเพื่อมของมัน นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามทำการวัดคลื่นความโน้มถ่วงเรื่อยมาเพื่อพิสูจน์ผลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ แต่คลื่นความโน้มถ่วงนี้มีความเข้มน้อยมาก เราจึงต้องหามวลสารที่ทำให้เกิดการกระเพื่อมของกาล-อวกาศที่รุนแรง ดังเช่น การหมุนรอบกันของดาวนิวตรอน หลุมดำ หรือการระเบิดของซูเปอร์โนวา เป็นต้น 

 

          อย่างไรก็ตาม รัสเซลส์ ฮัลส์ (Russell Hulse) และโจเซฟ เทย์เลอร์ (Joseph Taylor) ได้ศึกษาระบบดาวนิวตรอนคู่ซึ่งโคจรรอบกัน พวกเขาพบว่าในเวลาประมาณ 30 ปี คาบการโคจรของดาวนิวตรอนคู่นี้ลดลงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นผลจากการสูญเสียพลังงานในการแผ่คลื่นความโน้มถ่วงสู่กาล-อวกาศรอบๆ นั่นเอง นับเป็นการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงทางอ้อม ส่งผลให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1993

 

          ในวันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2016 ที่ผ่านมา ทีมนักวิทยาศาสตร์ของ LIGO ได้ยืนยันว่าในวันที่ 14 กันยายน 2015 ได้มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากรวมกันของหลุมดำสองหลุม โดยเครื่องตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วง ที่สถานี LIGO สองแห่ง ซึ่งห่างกัน 3,000 กิโลเมตร เครื่องมือตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงนี้ประกอบได้ด้วยกระจกสี่บาน โดยสามารถวัดการแทรกสอดของแสงเลเซอร์ที่ผ่านกระจกเหล่านี้ เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางมาถึงจะทำให้เกิดการยืดหดของกาล-อวกาศรอบกระจกเหล่านี้ ส่งผลต่อรูปแบบการแทรกสอดของแสงเลเซอร์ สัญญาณที่ตรวจวัดได้ สอดคล้องกับการรวมตัวกันของหลุมดำที่ได้จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

 

          การค้นพบของ LIGO ไม่เพียงแต่เป็นการยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง และการรวมตัวกันหลุมดำเท่านั้น แต่ยังเป็นก้าวสำคัญในการศึกษาเอกภพจากคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งจะเปิดเผยข้อมูลของเอกภพในยุคแรกเริ่มโดยก่อนหน้านี้ถูกจำกัดไว้เพียงการศึกษาด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น ขณะนี้เอกภพมีอายุประมาณ 14,000 ล้านปีหลังจากจุดกำเนิดของเอกภพหรือบิ๊กแบง จากการ “มอง“ เอกภพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแสงเราสามารถมองเห็นเอกภพย้อนไปไกลได้ถึง 3 แสนปีหลังบิ๊กแบง แต่จากการค้นพบของ LIGO นักวิทยาศาสตร์หวังที่จะพัฒนาเครื่องมือที่มีความละเอียดมากขึ้น เพื่อที่จะสามารถ “ฟังเสียง” เอกภพในยุคบิ๊กแบงที่ถูกซ่อนเร้นไว้นานถึง 14,000 ล้านปีได้ !