ทีมนักดาราศาสตร์ที่ทำงานในโพรเจกต์ ‘NANOGrav pulsar timing array’ นำข้อมูลจำนวนมหาศาลมาวิเคราะห์แล้วพบว่า มันมีค่าคลาดเคลื่อนเล็ก ๆ (Tiny deviations) ในช่วงเวลาที่คลื่นวิทยุจากพัลซาร์เดินทางมาถึง ซึ่งที่มาของค่าคลาดเคลื่อนนี้อาจเป็นคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational wave) ของการชนกันหรือรวมตัวกันของ 2 หลุมดำมวลมหาศาล!
ด้วยการนำข้อมูลซึ่งเป็นคลื่นวิทยุที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์วิทยุอาเรซีโบ (Arecibo Observatory) ในเปอร์โตริโก (Puerto Rico) (ก่อนจะปิดทำการถาวร) และกล้องโทรทรรศน์กรีนแบงก์ (Green Bank Telescope) ในเวสต์เวอร์จิเนีย ที่ใช้เวลาสังเกตการณ์นานต่อเนื่องกว่า 12 ปีครึ่ง ก็ทำให้นักดาราศาสตร์พบสิ่งที่น่าตื่นเต้นจากข้อมูลนั้น และนำมาซึ่งบทความวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร The Astrophysical Journal Letters เมื่อวันที่ 24 ธันวาคมที่ผ่านมา
ฟังแบบนี้หลายคนอาจจะยังไม่ตื่นเต้นตามนักดาราศาสตร์ เพราะงั้นเราเลยขออธิบายเพิ่มสักหน่อยว่า สิ่งนี้มันน่าตื่นเต้นยังไง แล้วอาจเชื่อมโยงไปถึงกำเนิดและการเติบโตของเอกภพได้อย่างไร
เข้าใจทีละเปลาะ ‘การควบรวมของหลุมดำ’ ปรากฏการณ์หายากเหนือจินตนาการ
โดยปกติแล้ว กาแล็กซีส่วนใหญ่รวมถึงทางช้างเผือกของเรา มีหลุมดำมวลยวดยิ่ง (Supermassive black hole) อยู่ที่ใจกลางกาแล็กซี พวกมันมีมวลมหาศาล อาจเป็นล้านหรือพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ เมื่อกาแล็กซีวิวัฒนาการไปเรื่อย ๆ มันอาจเคลื่อนที่เข้าใกล้ หรือไปโคจรรอบกาแล็กซีอื่น และในที่สุดก็เข้าใกล้จนรวมตัวกันได้ ซึ่งปรากฏการณ์นี้จะทำให้เกิดการกระจายคลื่นความโน้มถ่วง (นึกถึงการระเบิดหรือการโยนหินลงในน้ำที่ทำให้เกิดคลื่นแผ่เป็นระลอกออกมา) การควบรวมนี้ ทำให้พื้นหลังของเอกภพมีคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นเหมือนเสียงที่ผสมปนเปแทรกซึมไปทั่วจักรวาล
(Credit: NASA/JPL-Caltech)
แค่การประมวลหลุมดำออกมาเป็นภาพได้เมื่อปีก่อนก็ว่าน่าตื่นเต้นแล้ว แต่นี่ไม่ใช่แค่หลุมดำธรรมดานะ เป็นหลุมดำมวลยวดยิ่ง แถมยังเป็นควบรวมสองหลุมดำอีกต่างหาก สิ่งนี้เป็นเพียงความเป็นไปได้ทางทฤษฎีที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามีความเป็นได้ แต่ยังไม่เคยพบร่องรอยมาก่อนเลย
ดร. ศิรประภา สรรพอาษา นักวิจัยของสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ NARIT ผู้เชี่ยวชาญด้านพัลซาร์ของไทย ที่ทำการค้นหาและศึกษามิลลิเซคคั่นพัลซาร์ (Millisecond pulsar) หรือพัลซาร์ที่มีคาบการหมุนเร็วมาก ๆ ระดับมิลลิวินาที (ถ้าให้เทียบก็เป็นความเร็วการหมุนประมาณเครื่องปั่นน้ำผลไม้เลยทีเดียว) ให้สัมภาษณ์ถึงความน่าตื่นเต้นของงานวิจัยชิ้นนี้กับแบไต๋ว่า
“สิ่งที่เรารู้และคิดกัน เหมือนอยู่ในนิยายวิทยาศาสตร์ การค้นพบครั้งนี้เป็นเหมือนเครื่องชี้ว่า ภาพฝันแบบนั้นมันมีอยู่จริง ๆ”
ตามล่าหา ‘สัญญาณ’ ชี้หาหลุมดำชนกัน
สิ่งที่จะช่วยเติมหลักฐานที่บ่งบอกการมีอยู่ของแนวคิดนี้ คือ การวัดพื้นหลังของเอกภพหาคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งนอกจากยืนยันแนวคิด ยังช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้รับข้อมูลมากมายเกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของกาแล็กซี อย่างไรก็ตาม คลื่นความโน้มถ่วงมีความถี่ที่ต่ำมาก ยากต่อการตรวจจับ ยิ่งวัตถุที่ควบรวมกันมีมวลมากเท่าใด ก็ยิ่งตรวจจับได้ยาก กระทั่งอภิมหาการสังเกตการณ์ที่ถูกออกแบบมาเพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงอย่างโครงการไลโก-เวอร์โก (LIGO—Virgo gravitational wave observatories) ก็ยังไม่สามารถตรวจจับได้
LIGO—Virgo คือเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงขนาดใหญ่ โดยใช้เลเซอร์และกระจกที่ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษในการสังเกตการณ์และตรวจจับความคลาดเคลื่อน
Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ประกอบไปด้วย หอสังเกตการณ์ขนาดใหญ่ 2 แห่งในสหรัฐอเมริกา ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยการแทรกสอดของเลเซอร์ (Laser Interferometer) และการใช้กระจกที่ติดตั้งกับหอสังเกตการณ์ซึ่งมีระยะห่างกัน 4 กิโลเมตร เพื่อตรวจจับค่าความเปลี่ยนแปลงที่น้อยกว่าหมื่นเท่าของเส้นผ่าศูนย์กลางของโปรตอน (โอโห้ เล็กสุด ๆ ไปเลย แต่ย้ำอีกครั้งว่า กระทั่งสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์พบล่าสุดนี้ ก็ยังตรวจจับด้วยสิ่งนี้ไม่ได้นะ)
Credit: Amber Stuver
(อ่านต่อหน้า 2 คลิกด้านล่างเลย)
ส่วน Virgo นั้น เป็นเครื่องวัดการแทรกสอดขนาดใหญ่เพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงแบบมิเชลสัน ที่ปราศจากสิ่งรบกวนภายนอก เนื่องจากแยกกระจกและอุปกรณ์แขวนแยกออกจากกัน และลำแสงเลเซอร์ก็ทำงานในสุญญากาศ ตัวอุปกรณ์เป็นแขนสองข้าง ตั้งห่างกัน 3 กิโลเมตร ในซานโต สเตฟานโน มาเชอราททา (Santo Stefano a Macerata) ใกล้เมืองปิซาประเทศอิตาลี
และอาคารอื่น ๆ ได้แก่ สำนักงานเวิร์คช็อป ศูนย์คอมพิวเตอร์ และห้องควบคุมอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์
Credit: The Virgo collaboration
ทั้ง LIGO—Virgo มีความสามารถที่จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากการรวมกันของวัตถุที่มีมวลประมาณหนึ่งถึงสองเท่าดวงอาทิตย์ อย่างดาวนิวตรอนหรือหลุมดำได้ แต่ไม่ใช่กับหลุมดำมวลยิ่งยวดที่มีมวลมหาศาลตามชื่อ
ดร. ศิรประภา อธิบายว่า เมื่อเกิดการชนหรือรวมตัวกันของหลุมดำมวลยิ่งยวด กระบวนการปล่อยคลื่นโน้มถ่วงจะกินเวลานานกว่าปกติ อาจยาวเป็นเวลาหลายปี เกิดเป็นคลื่นที่มีช่วงความยาวคลื่นยาวมาก ๆ สัญญาณจึงอ่อน ตรวจจับได้ยากยิ่งกว่าการรวมกันของวัตถุที่มวลน้อยกว่า
ตรวจจับยากขนาดนี้ แล้วจะใช้วิธีไหนในการตรวจจับดีล่ะ … เพื่อให้เข้าใจวิธีตรวจจับที่ใช้ในการศึกษานี้ เราต้องมาทำความรู้จักนาฬิกาสุดเที่ยงตรงของเอกภพกันก่อน (Celestial clocks of the universe)
นาฬิกาสุดเสถียร แต่เบี่ยงเบนเพราะ ‘คลื่นความโน้มถ่วง’
ในเอกภพ มีวัตถุชนิดหนึ่งที่ปล่อยคลื่นรังสีเป็นจังหวะมายังโลก วัตถุชนิดนั้นคือ ‘พัลซาร์’ ดาวนิวตรอนที่หมุนเร็วแต่มีจังหวะหมุนที่ปล่อยคลื่นออกมาได้เสถียรสุด ๆ ความเสถียรของพวกมันนั้นเทียบเท่านาฬิกาอะตอมเลยทีเดียว และนั่นทำให้มันถูกขนามนามว่าเป็น ‘นาฬิกาของเอกภพ’
Credit: Victor Habbick Visions/ physicsworld.com
อย่างไรก็ตาม ไม่มีสิ่งใดคงทนถาวร ทีม NANOGrav จึงอาศัยประโยชน์จากความเสถียรและการสูญเสียความเสถียรในสภาวะพิเศษมาปรับใช้ เพื่อตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมกันของวัตถุที่มีมวลมาก ซึ่งเหนือกว่าที่ LIGO—Virgo จับได้
วิธีการก็คือ ทีมวิจัยนำข้อมูลจากการตรวจจับสัญญาณจากพัลซาร์ถึง 45 ดวงที่มีตำแหน่งที่ตั้งแตกต่างกันไปในเอกภพ แล้วหาค่าความเคลื่อนจากค่าสัญญาณนั้น
หากมีคลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนที่พาดผ่านระหว่างโลกและพัลซาร์ คลื่นความโน้มถ่วงจะทำให้ระยะห่างของโลกและพัลซาร์ขยายหรือหดตัวลงเล็กน้อย ด้วยความที่คลื่นจากพัลซาร์เดินทางด้วยความเร็วแสง จึงส่งผลให้คลื่นจากพัลซาร์ใช้ระยะเวลาเดินทางมาถึงโลกคลาดเคลื่อนไปจากปกติ กล่าวคือ ในช่วงที่พื้นหลังเอกภพหดตัว (Contraction) คลื่นจากพัลซาร์จะมาถึงโลกเร็วกว่าปกติ และในช่วงที่พื้นหลังเอกภพขยายตัว (Expansion) คลื่นจากพัลซาร์จะมาถึงโลกช้ากว่าปกติ
ค่าเวลาที่เบี่ยงเบนหรือคลาดเคลื่อนไปนี้ ยังขึ้นอยู่กับมุมระหว่างตำแหน่งของพัลซาร์และทิศทางการเดินทางของคลื่นความโน้มถ่วงด้วย ดังนั้น การเปรียบเทียบเวลาการมาถึงของคลื่นจากพัลซาร์แต่ละดวงที่มีความแตกต่างกันไป จึงจะเผยให้เห็นผลกระทบของคลื่นความโน้มถ่วงในวงกว้างได้
อย่างไรก็ตาม การวัดค่าที่คลาดเคลื่อนนี้ทำได้ยากมาก เนื่องจากค่าการเบี่ยงเบนเกิดขึ้นในระดับไม่กี่ร้อยนาโนวินาที และใช้ช่วงเวลาหลายปีกว่าจะเกิดขึ้น
ข้อพิสูจน์สุดท้าย
วิธีที่มีประสิทธิภาพในการค้นหาผลกระทบจากคลื่นความโน้มถ่วงคือ การวัดดูว่าความสัมพันธ์ระหว่างช่วงเวลาที่มาถึงของพัลซาร์ที่ต่างกันนั้นเป็นอย่างไร เมื่อพล็อตมุมระหว่างพัลซาร์ ผลลัพธ์ที่ได้ปรากฏเป็นรูป ‘เส้นโค้งดิ่ง (Hellings – Downs curve)’ ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับทิศทางของคลื่นความโน้มถ่วง ดังนั้นจึงสามารถใช้เพื่อค้นหาหลักฐานเกี่ยวกับพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วงของเอกภพ ที่น่าจะเดินทางไปในทุกทิศทาง
Credit: physicsworld.com
เมื่อวิเคราะห์ข้อมูลจากพัลซาร์ 45 ดวงที่ใช้เวลาเก็บจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุทั้งสองยาวนานถึง 12 ปีครึ่ง ด้วยวิธีการทางสถิติอย่างละเอียดแล้ว ทีม NANOGrav พบว่า มีหลักฐานเบื้องต้นที่น่าสนใจบางอย่าง ซึ่งส่งผลต่อเวลาที่คลื่นจากแต่ละพัลซาร์เดินทางมาถึง
(อ่านต่อหน้า 2 คลิกด้านล่างเลย)
“สิ่งที่บ่งชี้ถึงคลื่นความโน้มถ่วงในพื้นหลังของเอกภพ บอกกับเราว่า มันน่าจะเกิดจากหลุมดำมวลมหาศาลรวมตัวกัน และเรากำลังลอยอยู่ในทะเลคลื่นความโน้มถ่วงที่กระเพื่อมจากการรวมตัวกันนั้น ซึ่งสั่นสะเทือนไปทั่วทั้งเอกภพ” จูเลีย โคเมอร์ฟอร์ด (Julie Comerford) หนึ่งในสมาชิกทีม NANOGrav กล่าว
อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยยังไม่สามารถชี้ชัดฟันธงได้ว่า ผลที่สังเกตได้เป็นผลมาจากพื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วงของเอกภพ เพราะทีมยังไม่สามารถเชื่อมโยงความสัมพันธ์ระหว่างคู่พัลซาร์ได้
โจเซฟ ไซมอน (Joseph Simon) อีกหนึ่งสมาชิกในทีมวิจัย NANOGrav กล่าวว่า “เราพบสัญญาณที่ชัดเจนในชุดข้อมูลนี้ แต่ก็ยังไม่สามารถพูดได้ว่านี่คือพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วง” ขณะที่ สกอตต์ แรนซัม (Scott Ransom) จากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติของสหรัฐฯ (US’s National Radio Astronomy Observatory) กล่าวเสริมว่า “การพยายามตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยการจับเวลาพัลซาร์ต้องใช้ความอดทน ขณะนี้เรากำลังวิเคราะห์ข้อมูลกว่าสิบปี แต่จากที่ประเมิน การตรวจจับขั้นสุดท้ายอาจใช้เวลาอีกสัก2 – 3 ปี ผลลัพธ์ที่ได้ในตอนนี้คือสิ่งที่เราคาดหวังว่าจะได้เห็น เมื่อเข้าใกล้การค้นพบจริง ๆ”
กระบวนวิเคราะห์นี้ต้องอาศัยข้อมูลจำนวนมาก สะสมเป็นสิบปี ยิ่งข้อมูลมากเท่าไหร่ยิ่งทำให้เห็นค่าความคลาดเคลื่อนที่เล็กมาก ๆ ได้
นั่นหมายถึงมันมีความเป็นไปได้สูงมากว่าว่าจะเป็นผลจากคลื่นความโน้มถ่วงจริง ๆ และถือว่าเราคลำทางศึกษามาได้ถูกทางแล้ว
หากเป็นจริงแล้วจะเป็นอย่างไร
หากเป็นจริง นี่คือการค้นพบครั้งใหญ่ ทำให้รู้ว่าหลุมดำมวลยวดยิ่งมีอยู่จริง ทำให้รู้ว่าการควบรวมมีอยู่จริง ไม่ใช่เป็นเพียงการคาดการณ์ของนักวิทยาศาสตร์อีกต่อไป และอาจจะทำให้เราได้เรียนรู้กระบวนการทางฟิสิกส์ใหม่ที่เกิดขึ้นจากปรากฏการณ์นี้ก็ได้
Credit: NASA/CXC/A. HOBART, JOSH BARNES (U. OF HAWAII), JOHN HIBBARD (NRAO)
“การรวมของหลุมดำมวลยิ่งยวดนี้เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนมาก เรายังไม่เคยรู้เลยว่ามีเกิดอะไรขึ้นในนั้นบ้าง ผลจากการรวมจะเป็นอย่างไร แล้วกาแล็กซีใดเกิดจากการรวมกันในลักษณะนี้ เราไม่สามารถศึกษาได้ด้วยหลักฟิสิกส์ทั่วไปอย่างหลักของนิวตันหรือแม้กระทั่งทฤษฎีของไอสไตน์ได้ กระบวนการนี้มันเหนือไปกว่าคำอธิบายเหล่านั้นไปอีก อาจเกิดหลักฟิสิกส์ใหม่ (Frontier physics) ได้เลยทีเดียว” ดร. ศิรประภากล่าว
ในอนาคต หากการศึกษานี้ได้ผลลัพธ์ตรงตามที่คาดจริง ก็จะช่วยเผยความลี้ลับในเรื่องวิวัฒนาการของเอกภพได้ และในขั้นต่อไป ก็อาจจะถึงขั้นต่อยอด ใช้เป็นฐานคิด ให้นักวิทยาศาสตร์สืบหาวิธีการที่จะตรวจหาสัญญาณที่ตรวจจับยากยิ่งไปกว่านั้นได้ ซึ่งก็อาจทำให้เราสาวได้ไปถึงจุดกำเนิดของเอกภพได้เลยทีเดียว
ขอบคุณข้อมูลจาก ดร. ศิรประภา สรรพอาษา นักวิจัยของสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
อ้างอิง
พิสูจน์อักษร : สุชยา เกษจำรัส