สุดว้าวได้ยิน 'เสียงกังวานจากเอกภพ' จากจักรวาลครั้งแรก หลังจากศึกษา 15 ปี

สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ หรือ NARIT เปิดข้อมูลการค้นพบ "เสียงกังวารจากเอกภพ" ครั้งแรก โดยระบุว่า ทีมนักวิจัย IPTA ตรวจพบ "เสียงกังวานจากเอกภพ" ผ่านคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งแรก ชวนติดตามเพิ่มเติมในแถลงข่าวใหญ่คืนนี้ เวลาเที่ยงคืน ทีมนักวิจัยในเครือข่าย International Pulsar Timing Array หรือ IPTA ได้ใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ Very Large Array, Green Bank Telescope และ Arecibo ในการติดตามสัญญาณจากพัลซาร์ ใช้เป็นหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงขนาดยักษ์ ทำให้สามารถสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำยุคก่อกำเนิดขึ้นได้เป็นครั้งแรก ตามผลการรายงานจากการศึกษานานกว่า 15 ปี 

• คลื่นความโน้มถ่วง

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์นั้น สิ่งที่เราเรียกว่าแรงโน้มถ่วง แท้จริงแล้วเกิดขึ้นจากการโค้งงอของกาลอวกาศอันสืบเนื่องมาจากมวล คล้ายกับลูกตุ้มที่วางลงบนผ้ายืด แล้วเกิดการดึงให้ผ้ายืดออกไป ผลพลอยได้หนึ่งที่ตามมาของทฤษฎีนี้ก็คือ เมื่อใดก็ตามที่หลุมดำสองหลุมเกิดการรวมตัวกัน อิทธิพลของการบิดเบี้ยวของกาลอวกาศที่เกิดขึ้นนั้น จะสามารถแผ่อิทธิพลออกไปด้วยความเร็วแสง สามารถตรวจพบในรูปแบบของคลื่นความโน้มถ่วงได้
 

อย่างไรก็ตาม การจะสังเกตเห็นคลื่นความโน้มถ่วงได้นั้น จำเป็นจะต้องอาศัยการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของกาลอวกาศอันน้อยนิด ผ่านระยะทางที่ไกลเป็นอย่างมาก เช่นกรณีของ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) นั้น สังเกตการณ์กาลอวกาศภายในท่อสูญญากาศที่มีความยาวกว่า 4 กิโลเมตร และเมื่อมีคลื่นความโน้มถ่วงผ่านมา จะทำให้กาลอวกาศภายในท่อเกิดการยืด-หดไปเพียงไม่ถึงหนึ่งในพันของขนาดความกว้างของอนุภาคโปรตอน

ที่ผ่านมา LIGO เคยตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงจากการรวมตัวกันของหลุมดำ และหรือดาวนิวตรอนไปแล้วหลายครั้ง ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลไปในปี ค.ศ. 2017 อย่างไรก็ตาม เครื่องมือเช่น LIGO นั้นไวต่อการตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงที่มีความถี่ในระดับหลายร้อยเฮิรตซ์ (Hz) ที่เกิดจากการรวมตัวของหลุมดำมวล 10-100 เท่าของมวลดวงอาทิตย์เพียงเท่านั้น การจะฟังเสียงของคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำมวลยิ่งยวดที่มีมวลมากกว่านี้ จำเป็นจะต้องอาศัยการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของกาลอวกาศที่มีระยะทางไกลกว่านี้อีกมาก

• Pulsar Timing Array

การจะสร้างหอสังเกตการณ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าระบบสุริยะของเรานั้น ยังไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน แนวความคิดหนึ่งจึงใช้การสังเกตปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ ซึ่งปรากฏการณ์หนึ่งในนั้นก็คือ พัลซาร์ พัลซาร์เกิดขึ้นเมื่อดาวมวลมากยุบตัวลงในบั้นปลายของชีวิต และกลายเป็นดาวนิวตรอน ดาวนิวตรอนที่เกิดขึ้นนี้ ในบางครั้งจะแผ่รังสีในช่วงคลื่นวิทยุออกไปเป็นลำแสง ที่จะสาดออกไปรอบๆ คล้ายกับประภาคาร ตามการหมุนของดาวนิวตรอน อาจกินเวลาหลายสิบวินาที ไปจนถึงไม่กี่มิลลิวินาที เนื่องจากดาวนิวตรอนเป็นวัตถุที่หนาแน่นที่สุดวัตถุหนึ่งในเอกภพ และเปลี่ยนแปลงอัตราการหมุนน้อยมาก สัญญาณจากพัลซาร์นี้จึงเป็นสัญญาณที่มีความแม่นยำ เปรียบได้กับนาฬิกาที่ส่งสัญญาณอย่างสม่ำเสมอของเอกภพ

ดังนั้น โดยหลักการก็คือ หากเรามีการศึกษาสัญญาณที่ส่งออกมาจากพัลซาร์รอบๆ ระบบสุริยะของเราได้เป็นจำนวนมาก และกินระยะเวลานานพอ เมื่อใดก็ตามที่มีคลื่นความโน้มถ่วงขนาดใหญ่คลื่นที่ผ่าน เราอาจจะสังเกตเห็นสัญญาณที่ถูกส่งมาจากพัลซาร์แต่ละแห่งมีระยะเวลาที่เปลี่ยนแปลงออกไป ตามการยืด-หดออกของกาลอวกาศระหว่างระบบสุริยะถึงพัลซาร์เหล่านั้น คล้ายกับการสังเกตการเคลื่อนที่ขึ้นลงของทุ่นลอยในทะเลที่บ่งบอกถึงการมาถึงของคลื่นซึนามิ จึงเปรียบได้กับการสร้างเครื่องมือวัดคลื่นความโน้มถ่วงที่มีขนาด

ในทางปฏิบัตินั้น การศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงในลักษณะนี้เต็มไปด้วยความท้าทายหลายอย่าง ตั้งแต่สัญญาณที่อ่อนของพัลซาร์แต่ละแห่ง การประมวลข้อมูลอันสลับซับซ้อน เสียงรบกวนในข้อมูล และต้องการความแม่นยำสูงเพื่อยืนยันการค้นพบ ทำให้ทีมงาน NANOgrav ต้องใช้เวลาในการเก็บข้อมูลทั้งสิ้นกว่า 15 ปี กว่าจะสามารถยืนยันผลการค้นพบออกมาได้

• เสียงกังวานจากเอกภพ

ผลสุดท้ายที่ได้ ก็คือการสังเกตการณ์ของสิ่งที่คล้ายกับ "เสียงกังวานจากเอกภพ" ที่ดังมาจากทั่วทุกมุมของเอกภพ การรวมตัวของหลุมดำแต่ละคู่ในแต่ละตัวโน้ตที่อยู่ห่างออกไป อาจจะหลายล้านจนถึงหมื่นล้านปี ที่แทรกกัน กังวานไปทั่วราวกับเสียงซิมโฟนีจากเครื่องดนตรีนับร้อยเครื่องที่เซ็งแซ่ไปทั่วทั้งมหรสพของเอกภพที่เราเพิ่งจะสามารถรับฟังได้เป็นครั้งแรก
เสียง "คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง" นี้ ดังมาจากทุกทิศทุกทาง และอาจจะเกิดขึ้นจากแหล่งกำเนิดคลื่นที่อยู่ห่างออกไปได้ทุกมุมในเอกภพ  การที่เราสามารถใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ที่พบได้อยู่แล้วในเอกภพ นำไปสู่การสังเกตปรากฏการณ์ที่ไม่เคยสังเกตได้มาก่อนนี้ จึงเปรียบได้กับการเปิดศักราชใหม่ และแนวทางใหม่ในการศึกษาเอกภพที่เราอาศัยอยู่

สัญญาณบางส่วนอาจจะมาจากการรวมตัวของหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีอันห่างไกลออกไป เมื่อหลายพันล้านปีที่แล้ว การศึกษาการรวมตัวของหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีเหล่านี้ จะช่วยให้เราเข้าใจถึงกลไกการรวมตัวกันของกาแล็กซี จนกลายมาเป็นรูปร่างกาแล็กซี และหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีที่เรารู้จักในปัจจุบันได้ หรือสัญญาณนี้อาจจะมาจาก ปรากฏการณ์แปลกประหลาดอื่น เช่น การรวมตัวของรอยแตกในกาลอวกาศที่เรียกกันว่า คอสมิคสตริง ที่ปัจจุบันยังคงเป็นเพียงการคาดการทางทฤษฎีเพียงเท่านั้นหรือสัญญาณบางส่วนนี้ อาจเป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่หลงเหลืออยู่จากการระเบิดของบิ๊กแบงเสียเอง เช่นเดียวกับการค้นพบ "รังสีไมโครเวฟพื้นหลัง" นั้นเป็นกุญแจสำคัญที่ช่วยให้เราทำความเข้าใจถึงต้นกำเนิดของเอกภพได้ การศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง อาจจะเป็นหน้าต่างสำคัญที่ช่วยให้เราสามารถมองย้อนอดีตไปสังเกตมุมมองการก่อตัวของเอกภพที่ไม่ถูกบดบังได้

ทั้งหมดนี้เป็นเพียงผลการศึกษาเบื้องต้นเพียงเท่านั้น แม้ว่าการศึกษาเบื้องต้นนี้จะใช้เวลานานถึง 15 ปี แต่หากเราดูตัวอย่างจากกรณี LIGO และ EHT ที่ใช้เวลานานกว่าตีพิมพ์ผลงานวิจัยในครั้งแรก ก็จะเห็นได้ชัดเจนว่าสิ่งที่ได้เรียนรู้นั้น สามารถนำไปเบิกทาง นำมาซึ่งผลงาน และความเข้าใจที่เพิ่มขึ้นเป็นอย่างมากในภายหลัง อย่างไรก็ตาม เป็นที่แน่ชัดว่าผลงาน ครั้งนี้เป็นการยืนยันศักยภาพของหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงในรูปแบบของ Pulsar Timing Array และเราคงต้องติดตามกันดูว่าในอนาคตอันใกล้นี้ เราจะสามารถแยกแยะเสียงเซ็งแซ่เหล่านี้ ออกมาเป็นตัวโน้ต และท่วงทำนองที่แต่ละปรากฏการณ์ร่วมกันขับขานขึ้นมาเป็นส่วนหนึ่งของเสียงก้องกังวานในเอกภพได้หรือไม่ และจะนำมาซึ่งคำตอบของคำถามที่น่าสนใจอื่นใดอีกเกี่ยวกับเอกภพ

สำหรับทีมวิจัยในเครือข่าย IPTA ประกอบด้วยกลุ่มวิจัยจากทั่วโลก ได้แก่ European Pulsar Timing Array (EPTA), North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NanoGRAV), Parkes Pulsar Timing Array (PPTA)  Chinese Pulsar Timing Array (CPTA) และ The Indian Pulsar Timing Array (InPTA) มีเป้าหมายเพื่อตรวจจับและศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำโดยใช้พัลซาร์เป็นเครื่องมือ
ชวนติดตามรายละเอียดแบบเจาะลึกจากเหล่าทีมวิจัย กับข้อมูลการศึกษาตลอดระยะเวลา 15 ปีของพวกเขา เที่ยงคืนวันนี้ ตามเวลาประเทศไทย ทาง https://nanograv.org/news/2023Announcement 
อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม: 
https://iopscience.iop.org/.../apjl-230623-245-Focus-on...
เรียบเรียง : ดร. มติพล ตั้งมติธรรม - ผู้เชี่ยวชาญด้านดาราศาสตร์ NARIT