NANOGrav ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำมวลยิ่งยวด: ยุคใหม่ของดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง

คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร

คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Waves) คือระลอกคลื่นในโครงสร้างของ spacetime ที่เกิดจากวัตถุมวลมากเคลื่อนที่ด้วยความเร่งสูง เหมือนกับการโยนก้อนหินลงในบ่อน้ำนิ่ง — ยิ่งก้อนหินใหญ่และเคลื่อนที่เร็ว คลื่นที่เกิดก็ยิ่งรุนแรง

Albert Einstein ทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อปี ค.ศ. 1915 แต่ต้องใช้เวลากว่า 100 ปีกว่ามนุษย์จะตรวจพบมันโดยตรง — เมื่อ LIGO ตรวจพบคลื่นจากการรวมตัวของหลุมดำมวลน้อยเมื่อปี 2015 ซึ่งทำให้นักฟิสิกส์ 3 คนได้รับรางวัลโนเบลในปี 2017

แต่คลื่นความโน้มถ่วงที่ LIGO ตรวจพบมีความถี่สูง (ประมาณ 10-1000 เฮิรตซ์) ขณะที่แหล่งที่มาของคลื่นที่มีความถี่ต่ำมากๆ (ในระดับ nanohertz หรือ 10^-9 เฮิรตซ์) ยังคงเป็นปริศนาที่รอการค้นพบ

หลุมดำมวลยิ่งยวด: แหล่งกำเนิดคลื่น nanohertz

หลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive Black Holes) คือหลุมดำที่มีมวลตั้งแต่หลายล้านถึงหลายพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ดาวระเบิดทั่วไปที่ใจกลางกาแล็กซีส่วนใหญ่มีหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่ตรงกลาง เมื่อสองกาแล็กซีชนกันและรวมตัว หลุมดำทั้งสองก็จะโคจรเข้าหากันช้าๆ ในขั้นตอนสุดท้ายก่อนรวมเป็นหนึ่งเดียว กระบวนการนี้ใช้เวลาหลายร้อยล้านปี และปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมาอย่างต่อเนื่อง

เนื่องจากมวลของหลุมดำเหล่านี้มหาศาลมาก คลื่นที่เกิดจึงมีความถี่ต่ำมากจนไม่สามารถตรวจจับได้ด้วย LIGO ที่มีส่วนตรวจรับขนาดเพียงไม่กี่กิโลเมตร แต่นักวิทยาศาสตร์พบวิธีที่ชาญฉลาดกว่านั้น — ใช้ ดาวนิวตริโนพัลซาร์ (Millisecond Pulsars) เป็น "อุปกรณ์ตรวจจับ" ขนาดทั่วทั้งกาแล็กซี

Pulsar Timing Array: กาแล็กซีเป็นเครื่องตรวจจับคลื่น

Pulsar Timing Array (PTA) คือเทคนิคที่ใช้ดาวนิวตริโนพัลซาร์หลายสิบดวงเป็นเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ดาวนิวตริโนพัลซาร์เป็นดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูงมาก (บางดวงหมุนได้หลายร้อยรอบต่อวินาที) และปล่อยคลื่นวิทยุออกมาเป็นจังหวะสม่ำเสมอแม่นยำเหมือนจิตวิทยาห้องทดลอง

เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางผ่านระหว่างโลกกับดาวนิวตริโนพัลซาร์ มันจะยืดและหด spacetime ทำให้เวลาที่คลื่นวิทยุใช้เดินทางมาถึงโลกเปลี่ยนไปเล็กน้อย นักดาราศาสตร์วัดความเปลี่ยนแปลงนี้ได้ด้วยการจับเวลาการมาถึงของคลื่นวิทยุจากพัลซาร์หลายสิบดวงพร้อมกัน ถ้ามีคลื่นความโน้มถ่วงผ่าน พัลซาร์ทุกดวงจะมี timing offsets ที่สัมพันธ์กันในรูปแบบที่คาดการณ์ได้

NANOGrav ประกาศการค้นพบทางประวัติศาสตร์

NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) คือโครงการวิจัยที่ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ Arecibo และ Green Bank เพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในย่าน nanohertz มานานกว่า 15 ปี ทีมนักวิจัยประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัยทั่วสหรัฐอเมริกาและแคนาดา รวบรวมข้อมูลการจับเวลาพัลซาร์มากกว่า 67 ดวงในช่วงเวลา 15 ปี

ในการประกาศผลล่าสุดเมื่อปี 2023 ทีม NANOGrav รายงานหลักฐานที่ชัดเจนของ Hellings-Downs correlation — รูปแบบเฉพาะตัวของ timing residuals ที่เกิดจากคลื่นความโน้มถ่วงที่มาจากทุกทิศทางบนท้องฟ้าพร้อมกัน ซึ่งเป็นลายเซ็นเฉพาะตัวของแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำมวลยิ่งยวดคู่ระยะไกลมาก

ความแตกต่างจากการตรวจจับของ LIGO

| ลักษณะ | LIGO/Virgo | NANOGrav (PTA) | |--------|-----------|-----------------| | ย่านความถี่ | 10-1000 เฮิรตซ์ | 10^-9 เฮิรตซ์ (nanohertz) | | แหล่งกำเนิด | หลุมดำมวลน้อย ดาวนิวตรอนคู่ | หลุมดำมวลยิ่งยวดคู่ | | ขนาดอุปกรณ์ | ส่วนตรวจรับ 4 กม. | ระยะห่างระหว่างโลก-พัลซาร์ (เป็นพันปีแสง) | | ระยะเวลาสังเกตการณ์ | วินาทีถึงนาที | 15 ปี | | ระยะทางแหล่งกำเนิด | หลายร้อยล้านปีแสง | หลายพันล้านปีแสง |

การตรวจจับของ NANOGrav ไม่ได้ขัดแย้งกับ LIGO แต่เสริมกัน — ทั้งสองกล้องเปิดหน้าต่างใหม่สู่จักรวาลที่แตกต่างกัน ถ้า LIGO มองเห็น "ป่าทึบใกล้บ้าน" NANOGrav ก็มองเห็น "ภูเขาที่ไกลมาก" คลื่นทั้งสองย่านความถี่บอกเล่าเรื่องราวที่แตกต่างกันของจักรวาล

ความหมายต่อวงการดาราศาสตร์

การค้นพบนี้เปิด "ยุคทองของดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงย่าน nanohertz" ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถศึกษาหลุมดำมวลยิ่งยวดคู่ที่กำลังรวมตัวกันทั่วจักรวาล แม้กระทั่งในกาแล็กซีที่ไม่สามารถสังเกตการณ์ด้วยแสงที่มองเห็นได้

นอกจากนี้ ข้อมูลจาก PTA ยังช่วยตรวจสอบทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทางเลือก ทดสอบขอบเขตของสัมพัทธภาพทั่วไปในระดับความโน้มถ่วงต่ำ และอาจให้เบาะแสเกี่ยวกับ สสารมืด (Dark Matter) ที่ยังคงเป็นปริศนาของวงการฟิสิกส์

ถ้าสนใจเรื่องราวของการสำรวจจักรวาลเพิ่มเติม ลองอ่านบทความเกี่ยวกับ สสารมืดและพลังงานมืด หรือ รูหลุมขาวที่เป็นประตูสู่จักรวาลอื่น ได้เลย

สรุป

การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำมวลยิ่งยวดของ NANOGrav ยืนยันอีกครั้งว่าจักรวาลมี "เสียง" ที่หูมนุษย์ไม่เคยได้ยินมาก่อน กาแล็กซีทั้งจักรวาลเต็มไปด้วยคลื่นความโน้มถ่วงที่กำลังเดินทางมาหาเรา การตรวจจับได้ในย่าน nanohertz หมายความว่าตอนนี้มนุษย์มี "หู" ที่ไวต่อเสียงโน้มถ่วงทั้งในย่านสูงและต่ำเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์

คำค้นที่เกี่ยวข้อง

pulsar timing array, NANOGrav gravitational wave, supermassive black hole binary, gravitational wave spectrum, nanohertz gravitational waves, millisecond pulsars, dark matter gravitational waves, Einstein general relativity, gravitational wave astronomy, binary black holes universe