เมนู



ฉบับพิเศษ

ธันวาคม  2559




เว็บไซต์ที่เกี่ยวข้อง

สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.)

Biodata ฐานข้อมูลนักวิชาการ ประเทศไทย

ห้องสมุดออนไลน์ สกว.

ฝ่ายวิจัยเพื่อท้องถิ่น งานวิจัยท้องถิ่น

โครงการปริญญาเอก คปก.

ร้านหนังสือ สกว.




จำนวนผู้เข้าชม

2344407

รายละเอียด

เพื่ออนาคต : คลื่นความโน้มถ่วง: การค้นพบและก้าวต่อไป (3)
รศ.ดร.ชัยวัฒน์ คุประตกุล
Kshaiwat4@gmail.com

(คุยกันก่อน : ใน “คลื่นความโน้มถ่วง : การค้นพบและก้าวต่อไป” สองตอนที่แล้ว ได้นำท่านผู้อ่านไป (1) รู้จักกับคลื่นความโน้มถ่วง ตามด้วย (2) กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน กับทฤษฎีความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ (3) คลื่นความโน้มถ่วงกับทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของไอน์สไตน์ (4) สองตัวละครสำคัญ : ไอน์สไตน์กับคิป ทอร์น (5) บทบาทของคิป ทอร์น กับคลื่นความโน้มถ่วง)
(6) การค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงก่อนความสำเร็จของไลโก
ก่อนการประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยไลโกเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 และหลังการจากไปของไอน์สไตน์เมื่อปี ค.ศ.1955 ก็มีการประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงมาก่อน ที่เป็นข่าวใหญ่ในวงการวิทยาศาสตร์ 2 ครั้ง

ครั้งแรก ถ้าจริง เป็นการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง ครั้งที่สอง เป็นการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงอย่างมิใช่โดยตรง

ครั้งแรก เกิดขึ้นในปี ค.ศ.1969 โดย โจเซฟ เวเบอร์ (JOSEPH WEBER) ด้วยเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง รู้จักเรียกกันในปัจจุบัน เป็นเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงแบบท่อนยาวเวเบอร์ หรือ WEBER BAR GRAVITATIONAL WAVE DETECTOR ประกอบด้วยท่อนเซนเซอร์ยาว พันรอบท่ออะลูมิเนียมตันรูปทรงกระบอก
โจเซฟ เวเบอร์ อธิบายว่า เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางมาถึงเครื่องตรวจจับของเขา จะทำให้ท่อนเซนเซอร์เกิดการสั่น คล้ายกริ่ง แล้วแสดงผลออกมาบนชาร์ตให้ศึกษาได้

ในปี ค.ศ.1969 โจเซฟ เวเบอร์ ก็รายงานผลการตามล่าหาคลื่นความโน้มถ่วงของเขาตีพิมพ์ในวารสาร SCIENCENEWS (SN) ฉบับวันที่ 21 มิถุนายน ค.ศ.1969 ว่า ได้พบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกของโลก ซึ่งหนึ่งปีต่อมา เขาอธิบายว่า เป็นคลื่นความโน้มถ่วงจากใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก โดยอาจจะมาจากการระเบิดของซูเปอร์โนวาหรือจากพัลซาร์

การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงของเวเบอร์ เป็นข่าวใหญ่ในวงการวิทยาศาสตร์ และทำให้มีนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ พยายามสร้างเครื่องตรวจจับแบบเดียวกับของเวเบอร์ แต่ก็ไม่มีใครตรวจจับได้เลย แม้แต่เมื่อเวเบอร์จากโลกไปในปี ค.ศ.2000

บทสรุปในปัจจุบันสำหรับการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงของเวเบอร์ จึงเป็นว่า ไม่น่าจะเป็นคลื่นความโน้มถ่วงจริง

อย่างไรก็ตาม เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงแบบของเวเบอร์ ก็มิใช่ว่าจะตายไปจากวงการวิทยาศาสตร์ เพราะก็มีความพยายามในการพัฒนาระบบคล้ายของเวเบอร์ แต่จะมีความไวขึ้นอีกมากต่อ ๆ มาอีก
 
หลังการประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงของเวเบอร์เมื่อปี ค.ศ.1969 มีการประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงที่เป็นข่าวใหญ่ในวงการวิทยาศาสตร์ครั้งที่สองในปี ค.ศ.1974 โดย รัสเซลล์ ฮัลส์ (RUSSELL HULSE : ค.ศ.1950-ปัจจุบัน) และโจเซฟ เทย์เลอร์ (JOSEPH TAYLOR : ค.ศ.1941-ปัจจุบัน) แต่มิใช่เป็นการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง หากเป็นผลจากการศึกษาสัญญาณคลื่นวิทยุ ที่มาจากพัลซาร์คู่กับดาวนิวตรอน อยู่ห่างจากโลกประมาณ 21,000 ปีแสง ในกลุ่มดาวนกอินทรีย์ (AQUILA)

ฮัลส์และเทย์เลอร์ ได้ศึกษาวิเคราะห์สัญญาณวิทยุดังกล่าวที่ถูกตรวจจับได้โดยหอดูดาววิทยุใหญ่ที่สุดในโลก คือ อะรีซิโย (ARECIRO RADIO TELESCOPE) อยู่ที่ปัวโตริโก แล้วสรุปออกมาว่า สอดคล้องกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นจากการที่พัลซาร์ มีมวลประมาณ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ วิ่งวนเข้าหาดาวนิวตรอนคู่แฝด ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป แล้วก็จะเกิดคลื่นความโน้มถ่วง จากการสูญเสียพลังงานของพัลซาร์ ที่วิ่งวนเข้าใกล้ดาวนิวตรอนทุกขณะ จนกระทั่งในที่สุด พัลซาร์จะรวมเข้ากับดาวนิวตรอนในอีกประมาณ 300 ล้านปี

ถึงแม้ผลงานของฮัลส์กับเทย์เลอร์ จะมิใช่การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง แต่ก็เป็นหลักฐานดีที่สุดชิ้นแรก ที่ยืนยันได้ว่าสอดคล้องกับการมีอยู่จริงของคลื่นความโน้มถ่วง ทำให้ฮัลส์กับเทย์เลอร์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ.1993 ร่วมกัน

ส่วนดาวคู่พัลซาร์กับดาวนิวตรอนของเขาทั้งสอง ก็มีชื่อเรียกเป็น “HULSE-TAYLOR BINARY” หรือ “ดาวคู่แฝดฮัลส์-เทย์เลอร์”
(7) 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 : วันประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง
นักวิทยาศาสตร์คนเด่นดังที่สุดในวันประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ คือ คิป ทอร์น แต่ไลโก เป็นโครงการใหญ่ มีนักวิทยาศาสตร์ร่วมกันทำงานในปัจจุบันเป็นจำนวนกว่าหนึ่งพันคน จากประเทศต่าง ๆ หลายประเทศทั่วโลก และมีจุดเริ่มต้นที่ยาวไกล ย้อนหลังไปถึงปี ค.ศ.1962 โดยมีนักวิทยาศาสตร์ที่มีบทบาทสำคัญ สมควรจะได้รับการกล่าวถึงอย่างน้อยสามคน...

เป็นนักวิทยาศาสตร์รัสเซียสองคน ชื่อ มิเกล เกิตเซนสไตน์ (MIKHAIL GERTSENSTEIN เกิด ค.ศ.1926-ปัจจุบัน) และ วี.ไอ.พุสโตวอยต์ (V.I.PUSTOVOIT เกิด ค.ศ.1936-ปัจจุบัน) คนที่สามเป็นนักวิทยาศาสตร์อเมริกันเชื้อสายเยอรมนี ชื่อ ไรเนอร์ ไวส์ (REINER WEISS เกิด ค.ศ.1932-ปัจจุบัน)

หัวใจสำคัญของไลโก คือ ส่วนที่เรียกว่า LASER INTERFEROMETOR (เลเซอร์อินเตอร์เฟอร์โรมิเตอร์) ซึ่งเป็นระบบการแทรกสอด (INTERFERENCE) ของสองลำแสงเลเซอร์ ที่เริ่มต้นจากลำแสงเดียว แล้วถูกแยกเป็นสองลำแสง เพื่อให้กลับมารวมเป็นลำแสงเดียว ผลของการกลับมารวมกันของสองลำแสงก็จะบอกสภาพการเคลื่อนที่ของสองลำแสงได้

คิป ทอร์น มิใช่คนเริ่มต้นความคิดใช้เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์สำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง

ผู้เป็นต้นกำเนิดความคิดจริง ๆ คือ เกิดเซนสไตน์ และพุสโตวอยต์ โดยที่ทั้งสองตีพิมพ์เสนอความคิดเรื่องนี้ในวารสารวิทยาศาสตร์เมื่อปี ค.ศ. 1962 แต่ยังไม่ได้รับความสนใจจากวงการวิทยาศาสตร์นัก

ปี ค.ศง1966 ไรเนอร์ ไวส์ เกิดความคิดแบบเดียวกับสองนักวิทยาศาสตร์รัสเซีย จากการสอนวิชาเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพและคลื่นความโน้มถ่วง ที่เอ็มไอที (MIT) และพัฒนาต้นแบบระบบเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่จะใช้งานได้จริง
 
ในทศวรรษปี ค.ศ.1980 ไรเนอร์ ไวส์ แห่งเอ็มไอที ได้ร่วมทีมกับ คิป ทอร์น แห่งคาลเทค (CALTECH) สุดยอดนักฟิสิกส์ผู้เชี่ยวชาญทฤษฎีคลื่นความโน้มถ่วง และคิป ทอร์น ก็มองเห็นทันทีว่า เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ มีศักยภาพจะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้จริง แล้วโครงการสร้างเครื่องมือหอดูดาวเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ที่จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ก็เดินหน้าอย่างจริงจัง จนกระทั่งในที่สุด โครงการไลโกจึงเกิดขึ้นอย่างเป็นทางการในปี ค.ศ.1992 มีสำนักงานหรือศูนย์ดำเนินการหลักอยู่ที่คาลเทค ในแคลิฟอร์เนีย

ไลโกเป็นโครงการวิทยาศาสตร์ใหญ่ที่สุด (ใช้เงินมากที่สุด) สนับสนุนโดย NATIONAL SCIENCE FOUNDATION (NSF : มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ) ของสหรัฐ ซึ่งต่อมาก็ได้องค์กรพันธมิตรร่วมสนับสนุนจำนวนมาก ทั้งในสหรัฐอเมริกา และจากประเทศอื่น ๆ หลายประเทศทั่วโลก เช่น อังกฤษ, เยอรมนี, ออสเตรเลีย, รัสเซีย ฯลฯ

คิป ทอร์น เอง ถึงแม้จะไม่ใช่หัวหน้าโครงการไลโกโดยตรง แต่กล่าวได้ว่า ความมีชื่อเสียงของเขาและความเป็นคนที่กล่าวได้ว่า รู้จริงรู้ดีมากที่สุดเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วง บวกกับความมั่นใจในระบบลงสนามจริงกับงานตามล่าหาคลื่นความโน้มถ่วง ทำให้ตัวเขาเป็น “พลังขับเคลื่อน” แข็งขันที่สุดสำหรับโครงการค้นหาคลื่นความโน้มถ่วง

การดำเนินงานตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงของไลโก เป็นผลงานร่วมกันของคาลเทค (ที่มี คิป ทอร์น เป็นกำลังสำคัญ) และเอ็มไอที (มี ไรเนอร์ ไวส์ เป็นกำลังสำคัญ) เบื้องต้น มีแผนจะสร้างเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เหมือนกันขึ้นมาสามแห่ง แต่ในที่สุด ก็สร้างขึ้นมาจริงในสหรัฐอเมริกาสองแห่ง คือ ที่เมืองแฮนฟอร์ด (HANDFORD) รัฐวอชิงตัน และที่ เมืองลิฟวิงสตัน (LIVINGSTON) ในหลุยเซียนา อยู่ห่างกัน 3,000 กิโลเมตร

เครื่องหรือหอดูดาวไลโกแต่ละแห่ง ประกอบด้วย ท่อสุญญากาศยาว 4 กิโลเมตร 2 ท่อ ประกอบกันเป็นรูปตัว L ตั้งฉากกัน ทำหน้าที่เป็นเครื่องอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ใช้แสงเลเซอร์จากเครื่องต้นกำเนิดเดียว แล้วแยกเป็นสองลำแสงเลเซอร์ ฉายเข้าไปในท่อสุญญากาศที่ตั้งฉากกันทั้งสองท่อ ที่ปลายท่อทั้งสองมีกระจกสะท้อนแสงเลเซอร์ ให้กลับมารวมกันที่จุดเดียวกัน
 
ในสภาพปรกติ คือ ไม่มีคลื่นความโน้มถ่วงมารบกวนกาลอวกาศ (SPACETIME) ภายในท่อ แสงเลเซอร์ในท่อแขนทั้งสอง ก็จะใช้เวลาเท่ากัน ในการเคลื่อนที่จากจุดแยกแสง กลับมายังจุดที่พบกัน

แต่ถ้ามีคลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้น ที่ “แรงพอ” ก็จะทำให้กาลอวกาศในท่อหนึ่งหด แต่ในอีกท่อหนึ่งขยาย ทำให้แสงเลเซอร์ในท่อทั้งสองใช้เวลาไม่เท่ากันในการเดินทางไป-กลับ ภายในท่อทั้งสอง และก็จะเกิดผลวิเคราะห์ออกมาได้ว่า เป็นคลื่นความโน้มถ่วงหรือไม่

เครื่องไลโกทั้งสองแห่ง เริ่มต้นทำงานจริงในปี ค.ศ.2002 แต่จนกระทั่งถึงปี ค.ศ.2010 ก็ยังไม่พบคลื่นความโน้มถ่วง

หลังปี ค.ศ.2010 ทีมงานไลโกได้ปรับปรุงเครื่องไลโกใหม่ ใช้เวลาประมาณห้าปี เพื่อให้มีความไวเพิ่มขึ้นอีก และได้รับการตั้งชื่อเรียกเป็น “ADVANCED LIGO” หรือ “ไลโกรุ่นก้าวหน้า” เริ่มต้นทำงานใหม่ในปี ค.ศ.2015...

และแล้ว ในวันที่ 14 กันยายน ค.ศ.2015 หลังการเปิดเครื่องไลโกทั้งสองแห่งเพียงสองวัน (หลังการปรับปรุงล่าสุด) เครื่องไลโกทั้งสองก็ตรวจพบสิ่งที่รอคอยกันมา โดยไลโกทั้งสองแห่ง ตรวจจับสัญญาณที่เหมือนกันในเวลาต่างกัน 7 มิลลิวินาที

ช่วงเวลาต่างกัน 7 มิลลิวินาทีนี้ มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะตามทฤษฎีของไอน์สไตน์ คลื่นความโน้มถ่วง จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับแสง และก็จะใช้เวลา 7 มิลลิวินาที ในการเดินทางเป็นระยะทาง 3,000 กิโลเมตรที่เครื่องไลโกทั้งสองอยู่ห่างกัน เป็นการยืนยันว่าสัญญาณก่อกวนกาลอวกาศที่เครื่องไลโกทั้งสอง เกิดจากคลื่นความโน้มถ่วงเดียวกัน
 
แต่ก็ยังไม่มีการประกาศให้โลกรับรู้ทันที เพราะต้องตรวจสอบซ้ำในทุกแง่มุมให้มั่นใจเสียก่อนว่า สิ่งที่ตรวจพบนั้นเป็น “ของจริง”

จนกระทั่งในที่สุด ในวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 จึงได้มีการประกาศอย่างเป็นทางการ (ในวันเดียวกับที่รายงานการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยไลโก ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร PHYSICAL REVIEW LETTERS) ว่า ได้มีการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงแล้วเป็นครั้งแรก โดยไลโกทั้งสองแห่ง เป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการวิ่งวนเข้าหากัน และรวมกันในที่สุดของสองหลุมดำ อยู่ห่างจากโลกประมาณ 1,300 ล้านปีแสง ในท้องฟ้าซีกโลกใต้ ในทิศทางของกาแล็กซีเมฆ แมเจลแลน (MAGELLANIC CLOUD) …

โดยที่หลุมดำหนึ่ง มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรา 29 เท่า อีกหลุมดำหนึ่ง มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรา 36 เท่า แต่เมื่อรวมกันแล้ว กลายเป็นหลุมดำดวงเดียวมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรา 62 เท่า และมวลที่หายไป 3 เท่าของดวงอาทิตย์ของเรานี้เอง ที่เปลี่ยนไปเป็นพลังงานทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงตรวจจับได้โดยไลโก
ถึงแม้จะเป็นคลื่นความโน้มถ่วงเกิดจากหลุมดำสองดวง แต่ด้วยระยะทางอันแสนไกลถึงประมาณ 1,300 ล้านปีแสง ทำให้คลื่นความโน้มถ่วงจากสองหลุมดำที่ตรวจจับได้โดยไลโก มีผลทำให้เกิดการรบกวนของกาลอวกาศ (เกิดการยืดหดของกาลอวกาศในท่อยาวสี่กิโลเมตร) ของไลโกน้อยมาก คือ เพียง 10 ยกกำลังลบ 18 เมตร หรือ 1 ในหนึ่งล้านล้านล้านเมตรเท่านั้น ซึ่งเป็นขนาดที่เล็กกว่าขนาดของโปรตอนเสียอีก

แล้วผลการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงของไลโก มีความน่าเชื่อถือแค่ไหน?


ทีมงานไลโกประกาศด้วยความมั่นใจว่า มีความแม่นยำสูงถึง 99.99994 เปอร์เซ็นต์ทีเดียว

บนเวทีการแถลงข่าวประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงเป็นครั้งแรก (จริง ๆ ) เมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 ที่กรุงวอชิงตันดีซี มีบุคคลบนเวที 4 คน

คนประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยไลโก คือ เดวิด ไรตซ์ (DAVID REITZE) ผู้อำนวยการไลโก แต่คนที่ได้รับความสนใจมากที่สุดคือ คิป ทอร์น โดยมี ไรเนอร์ ไวส์ อยู่บนเวทีด้วย ส่วนคนที่สี่ที่เป็นทีมงานของไลโกบนเวทีคือ กาบรีลา กอนซาเลซ (GABRIELA GONZ′ALEZ)

การประกาศเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 มิใช่เป็นเพียงการประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงเป็นครั้งแรกจริง ๆ เท่านั้น แต่ยังเป็นครั้งแรกอีกด้วยของการประกาศการค้นพบหลักฐานหลุมดำจับคู่กันเป็น BINARY BLACK HOLES ซึ่งวนเข้าหากันและรวมเป็นหลุมดำดวงเดียว!

(ติดตามการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยไลโกครั้งที่สองและก้าวต่อไป
ของคลื่นความโน้มถ่วงในประชาคมวิจัยฉบับหน้า)

แหล่งที่มา : ประชาคมวิจัย    ฉบับที่ : 128    หน้าที่ : 58    จำนวนคนเข้าชม : 132   คน