Gravitational Waves

คลื่นความโน้มถ่วง

ริ้วคลื่นในกาลอวกาศจากวัตถุมวลมากที่เร่งความเร็ว เช่น การรวมตัวของหลุมดำหรือดาวนิวตรอน

ผู้ส่งสารจักรวาลใหม่

คลื่นความโน้มถ่วง คือความบิดเบือนของกาลอวกาศเอง เดินทางด้วยความเร็วแสง ทำนายครั้งแรกโดย อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี 1916 พวกมันเกิดขึ้นตามธรรมชาติจากสมการสนามของสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อการกระจายมวล–พลังงานเร่งความเร็วอย่างไม่สมมาตร เป็นเวลาหลายทศวรรษ คลื่นเหล่านี้ยังคงเป็นเรื่องน่าสนใจทางทฤษฎี—ดูเหมือนจะอ่อนเกินกว่าที่เทคโนโลยีมนุษย์จะตรวจจับได้ สิ่งนั้นเปลี่ยนไปอย่างมากในปี 2015 เมื่อหอดูดาวเลเซอร์อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์คลื่นความโน้มถ่วง (LIGO) ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงครั้งแรกจากการรวมตัวของหลุมดำ การค้นพบนี้ได้รับการยกย่องว่าเป็นหนึ่งในความก้าวหน้าที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่

ไม่เหมือนกับสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งอาจถูกดูดซับหรือกระจาย คลื่นความโน้มถ่วงสามารถผ่านสสารได้โดยมีการลดทอนน้อยมาก พวกมันนำข้อมูลที่ไม่ผ่านการกรองเกี่ยวกับเหตุการณ์จักรวาลที่รุนแรงที่สุด—การชนกันของหลุมดำ, การรวมตัวของดาวนิวตรอน, อาจรวมถึงการยุบตัวของซูเปอร์โนวา—มอบเครื่องมือสังเกตการณ์ใหม่ที่เสริมดาราศาสตร์แบบดั้งเดิม โดยสรุป เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงทำหน้าที่เหมือน “หู” ที่ปรับจูนกับการสั่นสะเทือนของกาลอวกาศ เผยให้เห็นปรากฏการณ์ที่กล้องโทรทรรศน์มองไม่เห็น

2. รากฐานทางทฤษฎี

2.1 สมการสนามไอน์สไตน์และความแปรปรวนเล็กน้อย

ภายใน สัมพัทธภาพทั่วไป สมการสนามไอน์สไตน์เชื่อมโยงเรขาคณิตของกาลอวกาศ gμν กับเนื้อหาความเครียด-พลังงาน Tμν ในสุญญากาศ (ไกลจากมวล) สมการเหล่านี้ลดรูปเป็น Rμν = 0 หมายความว่ากาลอวกาศเป็นแบบแบนในท้องถิ่น อย่างไรก็ตาม หากเราถือว่ากาลอวกาศเกือบแบนบวกกับความแปรปรวนเล็กน้อย เราจะได้โซลูชันแบบคลื่น:

gμν = ημν + hμν,

โดยที่ ημν คือเมตริกซ์มิงค์คอฟสกี และ hμν ≪ 1 คือความเบี่ยงเบนเล็กน้อย สมการไอน์สไตน์เชิงเส้นให้สมการคลื่นสำหรับ hμν ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว c โซลูชันเหล่านี้เรียกว่า คลื่นความโน้มถ่วง

2.2 โพลาไรเซชัน: h+ และ h×

คลื่นความโน้มถ่วงในสัมพัทธภาพทั่วไปมี สองสถานะโพลาไรเซชันแนวตั้งฉาก ซึ่งมักเรียกว่า “+” และ “×” เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงผ่านผู้สังเกตการณ์ มันจะยืดและบีบระยะทางตามแกนตั้งฉากสลับกัน ในทางตรงกันข้าม คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีการสั่นของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในแนวตั้งฉาก แต่มีการเปลี่ยนแปลงต่างกันภายใต้การหมุน (สปิน-2 สำหรับคลื่นความโน้มถ่วง เทียบกับสปิน-1 สำหรับโฟตอน)

2.3 การแผ่พลังงานจากระบบไบนารี

สูตรควอดรัปเปิลของไอน์สไตน์ระบุว่า พลังงาน ที่แผ่ออกมาในรูปคลื่นความโน้มถ่วงขึ้นอยู่กับอนุพันธ์ลำดับสามของโมเมนต์ควอดรัปเปิลของการกระจายน้ำหนัก การเคลื่อนที่ที่มีสมมาตรทรงกลมหรือแบบไดโพลบริสุทธิ์จะไม่สร้างคลื่นความโน้มถ่วง ในระบบไบนารีของวัตถุหนาแน่น (หลุมดำ, ดาวนิวตรอน) การเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่วงโคจรทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงควอดรัปเปิลขนาดใหญ่ นำไปสู่การแผ่คลื่นความโน้มถ่วงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อพลังงานแผ่ออกไป วงโคจรจะ เข้าใกล้กัน และในที่สุดจะรวมตัวกันในระเบิดสุดท้ายของคลื่นความโน้มถ่วงที่แรงพอจะตรวจจับได้จากระยะหลายร้อยเมกะพาร์เซกหรือมากกว่า

3. หลักฐานโดยอ้อมก่อนปี 2015

3.1 พัลซาร์ไบนารี PSR B1913+16

ก่อนการตรวจจับโดยตรงมานาน Russell Hulse และ Joseph Taylor ค้นพบ binary pulsar แรกในปี 1974 การสังเกตการสลายวงโคจรของมันตรงกับการสูญเสียพลังงานที่ทำนายโดยการแผ่คลื่นความโน้มถ่วงจากสมการของสัมพัทธภาพทั่วไปอย่างแม่นยำสูงมาก ตลอดหลายสิบปี อัตราการลดลงของช่วงเวลาวงโคจรที่วัดได้ (~2.3 × 10-12 วินาที/วินาที) ตรงกับการทำนายทางทฤษฎีภายในความไม่แน่นอนประมาณ ~0.2% ซึ่งเป็น หลักฐานโดยอ้อม ว่าคลื่นความโน้มถ่วงนำพลังงานวงโคจรออกไป [1]

3.2 พัลซาร์ไบนารีเพิ่มเติม

ระบบถัดมา (เช่น Double Pulsar J0737–3039) ยืนยันการหดตัวของวงโคจรนี้เพิ่มเติม ความสอดคล้องกับสูตรควอดรัปเปิลของ GR สนับสนุนอย่างมากถึงการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง แม้ว่าจะยังไม่มีการตรวจจับคลื่นโดยตรงก็ตาม

4. การตรวจจับโดยตรง: LIGO, Virgo, และ KAGRA

4.1 ความก้าวหน้าของ LIGO (2015)

หลังจากพัฒนามาหลายสิบปี, อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ Advanced LIGO ที่ Hanford (วอชิงตัน) และ Livingston (หลุยเซียนา) จับสัญญาณ คลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง ครั้งแรกเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2015 (ประกาศในกุมภาพันธ์ 2016) รูปคลื่นที่ชื่อว่า GW150914 มาจากการรวมตัวของหลุมดำมวลประมาณ 36 และ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ที่ระยะประมาณ 1.3 พันล้านปีแสง ขณะที่พวกมันเข้าใกล้กัน ความกว้างและความถี่เพิ่มขึ้น (เสียง “chirp” ที่เป็นลักษณะเฉพาะ) จบด้วยการสั่นสุดท้ายหลังการรวมตัว [2]

การตรวจจับนี้ยืนยันการทำนายสำคัญหลายประการ:

  • การมีอยู่ของไบนารีหลุมดำ ที่รวมตัวในจักรวาลท้องถิ่น
  • รูปคลื่น ที่จับคู่กับการจำลองสัมพัทธภาพเชิงตัวเลขของการรวมตัวของหลุมดำ
  • การจัดแนวการหมุน และมวลหลุมดำสุดท้าย
  • ความถูกต้องของ GR ในสภาวะสนามแรงและสัมพัทธภาพสูง

4.2 หอสังเกตการณ์เพิ่มเติม: Virgo, KAGRA, GEO600

Virgo (ในอิตาลี) เข้าร่วมเป็นพันธมิตรเต็มรูปแบบในปี 2017 เดือนสิงหาคมนั้น การตรวจจับสามเท่าของ GW170814 จากการรวมตัวของหลุมดำอีกครั้งช่วยให้ระบุตำแหน่งบนท้องฟ้าและทดสอบโพลาไรเซชันได้ดีขึ้น KAGRA (ในญี่ปุ่น) ใช้กระจกเย็นใต้ดินเพื่อลดเสียงรบกวน มุ่งขยายเครือข่ายทั่วโลก เครื่องตรวจจับหลายแห่งทั่วโลกช่วยปรับปรุงการวางตำแหน่งบนท้องฟ้า ลดพื้นที่ความผิดพลาดอย่างมาก และช่วยในการติดตามสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้า

4.3 การรวมตัวของ BNS: ดาราศาสตร์หลายสัญญาณ

ในเดือนสิงหาคม 2017, GW170817 จากการรวมตัวของดาวนิวตรอนถูกตรวจจับโดย LIGO–Virgo พร้อมกับ การระเบิดแกมมาเรย์ ที่ตรวจพบประมาณ 1.7 วินาทีต่อมา รวมถึงแสงหลังการระเบิดกิโลโนวาในช่วงแสงและอินฟราเรด การสังเกตการณ์หลายสัญญาณนี้ระบุได้ชัดเจนถึงกาแล็กซีเจ้าบ้าน (NGC 4993) ยืนยันว่าการรวมตัวเช่นนี้สร้างธาตุหนัก (เช่นทองคำ) และยืนยันความเร็วคลื่นความโน้มถ่วงใกล้เคียงความเร็วแสงอย่างแม่นยำสูง เปิดยุคใหม่ของดาราศาสตร์ที่ผสมผสานคลื่นความโน้มถ่วงกับสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับสสารดาวนิวตรอน, อัตราการขยายตัว และอื่น ๆ

5. ปรากฏการณ์และนัยสำคัญ

5.1 การรวมตัวของหลุมดำ

หลุมดำ–หลุมดำ (BBH) การรวมตัวโดยทั่วไปไม่สร้างสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าสว่าง (เว้นแต่จะมีแก๊ส) แต่สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียวให้ข้อมูลเกี่ยวกับมวล, การหมุน, ระยะทาง และการสั่นสุดท้าย เหตุการณ์ BH–BH หลายสิบครั้งที่ค้นพบจนถึงปัจจุบันแสดงช่วงมวลกว้าง (~5–80 M⊙), การหมุน และอัตราการเข้าใกล้ การค้นพบนี้ปฏิวัติประชากรหลุมดำ

5.2 การชนกันของดาวนิวตรอน

ดาวนิวตรอน–ดาวนิวตรอน (BNS) หรือการชนกันของ BH–NS สามารถสร้างการระเบิดแกมมาเรย์สั้น ๆ, กิโลโนวา, หรือการปล่อยนิวตริโน ซึ่งช่วยเพิ่มพูนความรู้ของเราเกี่ยวกับสมการสถานะนิวเคลียร์ที่ความหนาแน่นสูงมาก การรวมตัวของ BNS สร้างธาตุหนักผ่านกระบวนการ r-process เชื่อมโยงฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ การผสมผสานของสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงและแสงหลังการระเบิดแม่เหล็กไฟฟ้าให้การตรวจสอบลึกซึ้งเกี่ยวกับการสังเคราะห์นิวเคลียร์ในจักรวาล

5.3 การทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

รูปแบบคลื่นความโน้มถ่วงสามารถทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปใน strong-field regime สัญญาณที่สังเกตจนถึงตอนนี้ไม่แสดงความเบี่ยงเบนที่สำคัญจากการทำนายของ GR—ไม่มีสัญญาณของรังสี dipole หรือมวลของ graviton ข้อมูลความแม่นยำสูงในอนาคตอาจยืนยันการแก้ไขเล็กน้อยหรือเปิดเผยฟิสิกส์ใหม่ นอกจากนี้ ความถี่ ringdown ในการรวมตัวของหลุมดำทดสอบทฤษฎี “no-hair” (หลุมดำใน GR อธิบายโดยมวล สปิน และประจุเท่านั้น)

6. ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงในอนาคต

6.1 Ongoing Ground-Based Detectors

LIGO และ Virgo รวมถึง KAGRA ยังคงปรับปรุงความไว— Advanced LIGO อาจเข้าใกล้ความไวตามการออกแบบที่ ~4×10-24 strain ใกล้ 100 Hz GEO600 ยังคงทำ R&D การรันถัดไป (O4, O5) คาดว่าจะมีการรวมตัวของหลุมดำหลายร้อยครั้งต่อปี รวมถึงการรวมตัวของดาวนิวตรอนหลายสิบครั้ง เสนอ “catalog” คลื่นความโน้มถ่วงที่เผยอัตราในจักรวาล การกระจายมวล สปิน และอาจมีเซอร์ไพรส์ทางดาราศาสตร์ใหม่ๆ

6.2 Space-Based Interferometers: LISA

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ที่วางแผนโดย ESA/NASA (~2030s) จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำกว่า (ช่วง mHz) จากระบบคู่หลุมดำมวลยิ่งยวด, extreme mass-ratio inspirals (EMRIs) และอาจรวมถึงสัญญาณ cosmic string หรือพื้นหลัง inflationary ความยาวแขน 2.5 ล้านกิโลเมตรในอวกาศของ LISA ช่วยให้ตรวจจับแหล่งที่ ground-based detectors ไม่สามารถทำได้ เชื่อมต่อโดเมนความถี่สูง (LIGO) และนาโนเฮิรตซ์ (pulsar timing)

6.3 Pulsar Timing Arrays

ที่ความถี่นาโนเฮิรตซ์ pulsar timing arrays (PTAs) เช่น NANOGrav, EPTA, IPTA วัดความสัมพันธ์เล็กน้อยในเวลามาถึงของพัลส์จากกลุ่ม millisecond pulsars พวกเขามุ่งตรวจจับพื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วง stochastic จากระบบคู่หลุมดำมวลยิ่งยวดในศูนย์กลางกาแล็กซี สัญญาณเบื้องต้นอาจเริ่มปรากฏแล้ว การยืนยันในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าจะทำให้ครบสเปกตรัมคลื่นความโน้มถ่วงหลายแถบ

7. ผลกระทบที่กว้างขึ้นต่อดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยา

7.1 การก่อตัวของระบบคู่คอมแพค

GW catalogs เผยให้เห็นว่าหลุมดำหรือดาวนิวตรอนก่อตัวจากวิวัฒนาการของดาวอย่างไร พวกมันจับคู่กันในระบบคู่ได้อย่างไร และ metallicity หรือปัจจัยสิ่งแวดล้อมอื่นๆ มีผลต่อการกระจายมวลอย่างไร ข้อมูลนี้ส่งเสริมความร่วมมือกับการสำรวจ transient ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ช่วยชี้นำแบบจำลองการก่อตัวดาวและการสังเคราะห์ประชากร

7.2 การสำรวจฟิสิกส์พื้นฐาน

นอกเหนือจากการทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป คลื่นความโน้มถ่วงอาจกำหนดข้อจำกัดสำหรับทฤษฎีทางเลือก (massive gravitons, extra dimensions) ได้ด้วย นอกจากนี้ยังใช้ปรับเทียบ cosmic distance ladder หากพบเหตุการณ์ standard siren ที่มี redshifts ที่ทราบแล้ว โดยอาจช่วยวัดค่าคงที่ฮับเบิลอย่างอิสระจากวิธี CMB หรือ supernova ซึ่งช่วยบรรเทาหรือเพิ่มความตึงเครียดของ Hubble tension ในปัจจุบัน

7.3 เปิดหน้าต่างมัลติมีสเซนเจอร์

การรวมตัวของดาวนิวตรอน (เช่น GW170817) รวมข้อมูลคลื่นความโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้า เหตุการณ์ในอนาคตอาจเพิ่มนิวตริโนหากซูเปอร์โนวาแกนล่มหรือการรวมตัว BH–NS ผลิตนิวตริโน วิธีมัลติมีสเซนเจอร์นี้ให้รายละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อนเกี่ยวกับเหตุการณ์ระเบิด—ฟิสิกส์นิวเคลียร์, การก่อตัวของธาตุกระบวนการ r, การก่อตัวของหลุมดำ ความร่วมมือเช่นนี้คล้ายกับที่นิวตริโนจาก SN 1987A ช่วยเสริมความรู้เรื่องซูเปอร์โนวา แต่ในระดับที่ยิ่งใหญ่กว่ามาก

8. ความเป็นไปได้แปลกใหม่และขอบฟ้าในอนาคต

8.1 หลุมดำดึกดำบรรพ์และจักรวาลยุคแรก

คลื่นความโน้มถ่วงจากจักรวาลยุคแรกอาจมาจากการรวมตัวของ หลุมดำดึกดำบรรพ์ การพองตัวของจักรวาล หรือการเปลี่ยนเฟสในไมโครวินาทีแรก เครื่องตรวจจับในอนาคต (LISA, เครื่องมือภาคพื้นดินรุ่นถัดไป, การทดลองโพลาไรเซชัน B-mode ของพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล) อาจตรวจจับสัญญาณเหล่านี้ เปิดเผยยุคแรกสุดของจักรวาล

8.2 การตรวจจับวัตถุแปลกใหม่หรือปฏิสัมพันธ์กับภาคมืด

หากวัตถุแปลกใหม่ (ดาวโบซอน, กราวาสตาร์) หรือสนามพื้นฐานใหม่มีอยู่ สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงอาจแตกต่างจากการรวมตัวของ BH ล้วนๆ ซึ่งอาจเผยฟิสิกส์นอกเหนือจาก GR หรือการเชื่อมโยงกับภาคที่ซ่อนเร้น/มืด จนถึงตอนนี้ยังไม่มีความผิดปกติ แต่ความเป็นไปได้ยังคงอยู่หากความไวเพิ่มขึ้นมากพอหรือมีแถบความถี่ใหม่เปิดขึ้น

8.3 ความประหลาดใจที่อาจเกิดขึ้น

ในประวัติศาสตร์ หน้าต่างสังเกตการณ์ใหม่แต่ละบานในจักรวาลนำไปสู่การค้นพบที่ไม่คาดคิด—ดาราศาสตร์คลื่นวิทยุ รังสีเอกซ์ และแกมมา ต่างก็พบปรากฏการณ์ที่ทฤษฎีก่อนหน้าไม่เคยทำนายไว้ ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงอาจเปิดเผยปรากฏการณ์ที่เราไม่เคยจินตนาการ เช่น การระเบิดของสายจักรวาล การรวมตัวคอมแพคแปลกใหม่ หรือสนามสปิน-2 พื้นฐานใหม่

9. บทสรุป

คลื่นความโน้มถ่วง—ซึ่งเคยเป็นเพียงรายละเอียดทางทฤษฎีในสมการของ ไอน์สไตน์—ได้พัฒนาเป็นเครื่องมือสำคัญในการตรวจสอบเหตุการณ์ที่ มีพลังงานสูงสุด และ ลึกลับที่สุด ในจักรวาล การตรวจจับในปี 2015 โดย LIGO ได้ยืนยันการทำนายที่มีอายุกว่าศตวรรษ เปิดยุคของ ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง การตรวจจับการรวมตัวของหลุมดำ–หลุมดำและดาวนิวตรอนในเวลาต่อมายืนยันแง่มุมสำคัญของสัมพัทธภาพและเผยให้เห็นประชากรของไบนารีคอมแพคในจักรวาลในแบบที่ไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีแม่เหล็กไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว

ผู้ส่งสารจักรวาลใหม่นี้มีผลกระทบในวงกว้าง:

  • ทดสอบ สัมพัทธภาพทั่วไป ในสภาวะสนามแรงสูง
  • ส่องสว่างช่องทาง วิวัฒนาการของดาว ที่ก่อให้เกิดการรวมตัวของหลุมดำหรือดาวนิวตรอน
  • เปิด ความร่วมมือมัลติมีสเซนเจอร์ กับสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อเจาะลึกข้อมูลทางดาราศาสตร์
  • มีศักยภาพในการวัด การขยายตัวของจักรวาล อย่างอิสระและค้นหาฟิสิกส์แปลกใหม่เช่น หลุมดำดึกดำบรรพ์หรือแรงโน้มถ่วงที่ดัดแปลงแล้ว

มองไปข้างหน้า อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ขั้นสูงบนพื้นดิน ชุดอุปกรณ์ในอวกาศเช่น LISA และชุดเวลาของพัลซาร์จะขยายขอบเขตการตรวจจับของเราในทั้งความถี่และระยะทาง เพื่อให้แน่ใจว่าคลื่นความโน้มถ่วงยังคงเป็นขอบเขตที่มีชีวิตชีวาในดาราศาสตร์ฟิสิกส์ สัญญาของการค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ การยืนยันหรือท้าทายทฤษฎีปัจจุบัน และอาจเปิดเผยข้อมูลเชิงลึกพื้นฐานใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างกาลอวกาศ ทำให้การวิจัยคลื่นความโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในสาขาที่มีชีวิตชีวาที่สุดในวิทยาศาสตร์สมัยใหม่

เอกสารอ้างอิงและการอ่านเพิ่มเติม

  1. Hulse, R. A., & Taylor, J. H. (1975). “Discovery of a pulsar in a binary system.” The Astrophysical Journal Letters, 195, L51–L53.
  2. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger.” Physical Review Letters, 116, 061102.
  3. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2017). “GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral.” Physical Review Letters, 119, 161101.
  4. Maggiore, M. (2008). Gravitational Waves, Volume 1: Theory and Experiments. Oxford University Press.
  5. Sathyaprakash, B. S., & Schutz, B. F. (2009). “Physics, Astrophysics and Cosmology with Gravitational Waves.” Living Reviews in Relativity, 12, 2.

 

← บทความก่อนหน้า                    บทความถัดไป →

 

 

กลับไปด้านบน

กลับไปที่บล็อก