เมนู



ฉบับพิเศษ

ธันวาคม  2559




เว็บไซต์ที่เกี่ยวข้อง

สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.)

Biodata ฐานข้อมูลนักวิชาการ ประเทศไทย

ห้องสมุดออนไลน์ สกว.

ฝ่ายวิจัยเพื่อท้องถิ่น งานวิจัยท้องถิ่น

โครงการปริญญาเอก คปก.

ร้านหนังสือ สกว.




จำนวนผู้เข้าชม

2284356

รายละเอียด

เพื่ออนาคต : คลื่นความโน้มถ่วง: การค้นพบและก้าวต่อไป (4)
รศ.ดร.ชัยวัฒน์ คุประตกุล
Kshaiwat4@gmail.com


(คุยกันก่อน : ในสามตอนที่แล้ว ได้นำท่านผู้อ่านไป (1) รู้จักกับคลื่นความโน้มถ่วง แล้วก็ (2) กฎความโน้มถ่วงของนิวต้นกับทฤษฎีความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ (3) คลื่นความโน้มถ่วงกับทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของไอน์สไตน์ (4) สองตัวละครสำคัญ : ไอน์สไตน์กับคิป ทอร์น (5) บทบาทของคิป ทอร์นกับคลื่นความโน้มถ่วง (6) การค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงก่อนความสำเร็จของไลโก และ (7) 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 : วันประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง)
(8) การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงครั้งที่สอง
ในวงการวิทยาศาสตร์ ไม่ว่าการประกาศการค้นพบสิ่งใหม่ใด ๆ จะมีค่าความเชื่อมั่นสูงเพียงใด แต่สิ่งที่จะเป็นหลักประกันว่า เป็นการค้นพบจริง ก็คือ การค้นพบซ้ำ!

สำหรับเรื่องคลื่นความโน้มถ่วง ถึงแม้การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงครั้งแรกของไลโก จะมีค่าความแม่นยำสูงถึง 99.99994 เปอร์เซ็นต์ แต่ถ้ามีการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งที่สอง ก็จะยิ่งเพิ่มความเชื่อมั่นขึ้นไปอีก

แล้วความหวังของไลโกก็ดูจะได้เกิดขึ้น เพราะเมื่อกลางเดือนมิถุนายน ค.ศ.2016 คณะนักวิทยาศาสตร์ของไลโก ก็ได้ประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงเป็นครั้งที่สอง ลงตีพิมพ์ในวารสาร PHYSICAL REVIEW LETTERS (ฉบับวันที่ 15 มิถุนายน ค.ศ.2016)

การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงครั้งที่สอง เกิดขึ้นในวันที่ 26 ธันวาคม ค.ศ.2015 ตามเวลามาตรฐานโลก หรือตามเวลาในสหรัฐอเมริกาก็จะเป็นวันที่ 25 ธันวาคม จึงนับเป็นของขวัญวันคริสต์มาสอันวิเศษสำหรับชาวไลโก

คลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจพบครั้งที่สองนี้ ตรวจจับได้โดยเครื่องไลโกทั้งสองแห่งเช่นเดียวกับครั้งแรก ในลักษณะเดียวกัน แต่มีรายละเอียดแตกต่างกับครั้งแรก นำไปสู่ข้อสรุปว่า เป็นคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำสองหลุมดำ มีมวลประมาณ 14 และ 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ รวมกันเป็นหลุมดำเดียว มีมวล 21 เท่าของดวงอาทิตย์ อยู่ห่างไกลจากโลก 1,400 ล้านปีแสง

เครื่องไลโกที่ลิฟวิงสตัน รัฐหลุยเซียนา ตรวจจับสัญญาณได้ก่อน อีก 1.1 มิลลิวินาทีต่อมา ก็ถูกตรวจจับได้โดยเครื่องไลโกที่แฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน

สัญญาณที่ตรวจจับได้ครั้งที่สอง อ่อนกว่าสัญญาณตรวจจับได้ครั้งแรก เพราะเกิดจากสองหลุมดำที่รวมกันเป็นหลุมดำเดียว โดยมีมวลน้อยกว่าการตรวจจับได้ครั้งแรก แต่ก็เพราะสัญญาณเกิดจากหลุมดำที่มีมวลน้อยกว่า ก็มีผลทำให้สัญญาณตรวจจับได้ครั้งที่สองถูกจับได้เป็นเวลายาวนานกว่าครั้งแรก คือ หนึ่งวินาทีเต็ม ในขณะที่สัญญาณจับได้เมื่อครั้งแรก ยาวครึ่งวินาที

จากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้สองครั้ง จากแหล่งกำเนิดที่แตกต่างกัน ในช่วงเวลาห่างกันเพียงสี่เดือน ทำให้นักดาราศาสตร์เชื่อว่า การชนกันของหลุมดำ เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นน่าจะมากทีเดียวในจักรวาล ทำให้โอกาสการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงจากแหล่งกำเนิดอื่น ๆ มีมากอย่างน่าตื่นเต้น
(9) เปิดสนามใหม่การค้นหาคลื่นความโน้มถ่วง
การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยไลโก ได้ก่อให้เกิดการตื่นตัวใหญ่ ในการค้นหาคลื่นความโน้มถ่วง แต่จริง ๆ แล้ว ตั้งแต่ก่อนการค้นพบโดยไลโก หรือจริง ๆ แล้ว ก็ตั้งแต่หลังการประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกโดยเวเบอร์ เมื่อปี ค.ศ.1974 ก็มีความเคลื่อนไหวอย่างมากในวงการวิทยาศาสตร์ การค้นหาคลื่นความโน้มถ่วง ด้วยวิธีการคล้ายกับของเวเบอร์ ซึ่งใช้เครื่องมือเป็นแบบท่อนยาว ที่เรียกกันเป็น WEBER BAR DETECTOR แต่จนกระทั่งเมื่อเวเบอร์จากโลกไปในปี ค.ศ.2000 ก็ยังไม่มีใครตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้

อย่างไรก็ดี วิธีการของเวเบอร์ ก็มิใช่จะตายไปกับเวเบอร์ เพราะจนกระทั่งถึงปัจจุบัน ก็มีความพยายามในการพัฒนาเครื่องมือตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงแบบคล้ายของเวเบอร์ แต่ให้มีความละเอียดขึ้น โดยปรับปรุงหรือเปลี่ยนลักษณะของตัวตรวจจับ (DETECTOR) จากแบบเป็นท่อนยาวของเวเบอร์ มาเป็นแบบลูกทรงกลมหรือแบบอื่น ๆ

ตัวอย่างเช่นที่ มหาวิทยาลัยไลเดน (LEIDEN) ในเนเธอร์แลนด์ มีระบบ Minigrail (มินิเกรล) เป็นเครื่องตรวจจับแบบลูกทรงกลม คาดหวังว่าจะเหมาะสำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากการรวมตัวกันของสองหลุมดำขนาดเล็ก หรือพัลซาร์

ที่มหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม ประเทศอังกฤษ และที่ INFN (หรือ ISTITUTO NATIONALE DI FICA NUCLEAR) ใน GENOA ประเทศอิตาลี มีเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งมีข่วงความถี่กว้างกว่าแบบ Minigrail

มหาวิทยาลัย CHONGQING ประเทศจีน กำลังดำเนินการสร้างเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงแบบคล้ายของเวเบอร์

สำหรับระบบการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงแบบของไลโก คือ ใช้เลเซอร์อินเตอร์เฟอร์โรมิเตอร์ ตามแผนเดิมตั้งแต่ต้น จะมีการสร้างเครื่องแบบไลโกสามเครื่อง โดยที่แฮนฟอร์ด จะมี 2 เครื่อง แต่ในที่สุด ก็สร้างเพียงเครื่องเดียว โดยมีการกำหนดแผนจะสร้างเครื่องที่สามที่ประเทศอินเดีย ซึ่งความก้าวหน้าล่าสุด (ถึงปี ค.ศ.2016) คือ รัฐบาลอินเดียได้อนุมัติโดยหลักการเมื่อวันที่ 17 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 (ไม่กี่วันหลังการประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016) โครงการของอินเดียชื่อ LIGO-INDIA
 
พัฒนาการต่อไปของเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่สำคัญ คือ การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยเครื่องตรวจจับในอวกาศ ดังเช่นระบบแบบ SPACE-BASED INTERFEROMETER ที่ได้มีการเริ่มต้นแล้ว คือ ระบบไลซา (LISA จากชื่อเต็ม LASER INTERFEROMETER SPACE ANTENNA หรือ เสาอากาศอวกาศเลเซอร์อินเตอร์เฟอร์โรมิเตอร์) ของยุโรป ซึ่งตามแผนจะเป็นการส่งดาวเทียมหรือเครื่องอินเตอร์เฟอร์โรมิเตอร์สามเครื่อง ไปอยู่ในอวกาศ จับกลุ่มกันเป็นรูปสามเหลี่ยม โคจรไปในอวกาศรอบดวงอาทิตย์ในวิถีโคจรคล้ายโลก

ดาวเทียมแต่ละดวงจะอยู่ห่างกันเป็นระยะทางห้าล้านกิโลเมตร แต่ละดวงจะมีเครื่องเลเซอร์ ยิงแสงเลเซอร์ไปยังดาวเทียมอีกสองดวง เกิดเป็นระบบแบบไลโกสองเครื่อง

โครงการไลซา เริ่มต้นแล้วเมื่อวันที่ 3 ธันวาคม ค.ศ.2015 โดยองค์การอวกาศยุโรปอีซา ได้ส่งยานอวกาศเรียก ไลซาพาทไฟน์เดอร์ (LISA PATHFINDER) ขึ้นสู่อวกาศ เพื่อทำการทดสอบส่วนหนึ่งของระบบไลซาที่จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงในอวกาศ และได้มีรายงานการทดสอบเมื่อเดือนมิถุนายน ค.ศ.2016 ว่า ไลซาพาทไฟน์เดอร์ ทำงานได้ผลตามเป้าหมาย

อย่างไรก็ตาม โครงการไลซายังจะต้องมีการเตรียมการและพัฒนาต่อไปอีกมากทีเดียว และก็มีปัญหาที่ในการแรกเริ่มโครงการ จะเป็นโครงการร่วมกันของนาซากับอีซา แต่ต่อมา นาซาถอนตัว (เพราะปัญหาด้านงบประมาณ) อีซาจึงเดินหน้าต่อเองและต้องปรับแผน รวมทั้งชื่อด้วย (เช่น เป็น eLISA จากชื่อเต็ม EVOLVED LASER INTERFEROMETER SPACE ANTENNA)

ถึงล่าสุด อีซา มีแผนจะส่งยานอวกาศลำแรกเป็นส่วนของระบบไลซาตัวจริงในปี ค.ศ.2034

นอกเหนือไปจากประเทศในยุโรปแล้ว ก็มีประเทศอื่น ๆ อีกที่กำลังดำเนินการหรือริเริ่มดำเนินการสร้างระบบการตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศ เช่น ญี่ปุ่น และจีน

เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศมีศักยภาพจะสามารถตรวจจับคลื่นดังกล่าวได้จากแหล่งที่หลากหลาย ดังเช่น การชนกันของหลุมดำยักษ์ที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก การชนกันระหว่างหลุมดำที่มีมวลมากกับวัตถุมีมวลน้อยกว่า การจับคู่กันของดาวฤกษ์มีมวลมากดังเช่นดาวนิวตรอน และคลื่นความโน้มถ่วงจากต้นกำเนิดแรก ๆ ของบิกแบงอันเป็นกำเนิดของจักรวาล
(10) สตีเฟน ฮอว์กิง กับการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง
ตัวละครสำคัญเป็นพิเศษสำหรับเรื่องการค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงที่กล่าวไปถึงก่อนแล้วคือ ไอน์สไตน์ กับ คิป ทอร์น มาตอนนี้ มีตัวละครคนดังแห่งโลกวิทยาศาสตร์ปัจจุบันอีกคนหนึ่ง ที่โดดเด่นขึ้นมาด้วยคือ สตีเฟน ฮอว์คิง

ในวันประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยไลโกครั้งแรกเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 สตีเฟน ฮอว์คิง ก็ได้ออกมาแสดงความยินดีกับความสำเร็จของคณะนักวิทยาศาสตร์ ไลโก กล่าวว่า เป็นการค้นพบที่ “REVOLUTIONISE ASTRONOMY” หรือ “ปฏิวัติดาราศาสตร์” ทีเดียว

ลำพังเพียงการร่วมแสดงความยินดี ก็คงไม่ทำให้ชื่อของสตีเฟน ฮอว์คิง โดดเด่นขึ้นมาด้วย สำหรับการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง แต่เพราะสตีเฟน ฮอว์คิง ได้กล่าวอีกด้วยว่า การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยไลโก สอดคล้องกับสิ่งที่เราได้พยากรณ์เอาไว้เมื่อกว่า 40 ปีก่อน เกี่ยวกับการชนกันของสองหลุมดำ

ในปัจจุบัน นอกเหนือไปจากตำแหน่งผู้นำทางด้านวิทยาศาสตรืหลายสถาบันแล้ว สตีเฟน ฮอว์คิง ก็ดำรงตำแหน่งเป็นผู้อำนวยการวิจัย (RESEARCH DIRECTOR) ของแผนกคณิตศาสตร์ประยุกต์และฟิสิกส์ทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ด้วย และในการให้สัมภาษณ์แก่สำนักข่าวบีบีซี (BBC) ของอังกฤษ เกือบจะในทันทีหลังการประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยไลโก เมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016 สตีเฟน ฮอว์คิง กล่าวว่า...

การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงจากการรวมตัวกันของสองหลุมดำ สอดคล้องกับ “ทฤษฎีพื้นที่หลุมดำ” หรือ “BLACKHOLE AREA THEOREM” ของเขา หรือที่เรียกกันในวงการวิทยาศาสตร์ปัจจุบันเป็น “ทฤษฎีบทพื้นที่” (“THE AREA THEOREM”) ของสตีเฟน ฮอว์คิง โดยสตีเฟน ฮอว์คิง ย้ำอย่างภูมิใจให้เกียรติแก่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ว่า เป็นทฤษฎีที่เขาเสนอครั้งแรกที่เคมบริดจ์ เมื่อปี ค.ศ.1970
 
สตีเฟน ฮอง์คิง ได้รับปริญญาเอกทางด้านฟิสิกส์และคณิตศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ปี ค.ศ.1966 และเริ่มต้นทำงานที่สถาบันดาราศาสตร์ (INSTITUTE OF ASTRONOMY) ในเคมบริดจ์ ปี ค.ศ.1968

“ทฤษฎีบทพื้นที่” เป็นทฤษฎีที่สตีเฟน ฮอว์คิง ใช้แนวคิดกำหนดให้หลุมดำเป็นปรากฏการณ์แบบเดียวกับเทอร์โมไดนามิกส์ (THERMODYNAMICS) โดยให้พื้นที่ของหลุมดำ (หรือพื้นที่ของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ) เป็น เอนโทรปี (ENTROPY) หรือระดับความไม่เป็นระเบียบของข้อมูลข่าวสารภายในหลุมดำ

ทฤษฎีบทพื้นที่ของสตีเฟน ฮอว์คิง กล่าวว่า พื้นที่ผิวของหลุมดำ (หรือพื้นที่ของขอบฟ้าเหตุการณ์) ไม่มีลดลงกับเวลา

สำหรับกรณีการชนกันของสองหลุมดำ สาระสำคัยของทฤษฎีบทพื้นที่ คือ พื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำสุดท้าย ใหญ่กว่าผลรวมของพื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของแต่ละหลุมดำก่อนการชนกัน

แล้วการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงของไลโก สอดคล้องกับทฤษฎีบทพื้นที่อย่างไร?

เท่าที่ปรากฏ จริง ๆ แล้ว หลักฐานข้อมูลจากการค้นพบของไลโก ก็ไม่แสดงออกมาชัดเจนว่า สอดคล้องกับทฤษฎีบทพื้นที่ของสตีเฟน ฮอว์คิง อย่างไร

ส่วนหนึ่ง อาจเป็นเพราะแหล่งกำเนิดของคลื่นความโน้มถ่วง อยู่ห่างไกลจากโลกมากถึง 1,300 ล้านปีแสง ซึ่งไม่มีปัญหาต่อการหาค่ามวลของหลุมดำที่เกี่ยวข้องทั้งก่อนและหลังการชนกัน แต่การหาหลักฐานสำหรับพื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำที่เกี่ยวข้อง ไม่ง่ายหรือเป็นรูปธรรมเหมือนมวล

อย่างไรก็ตาม จากคำกล่าวอย่างมั่นใจของสตีเฟน ฮอว์คิง ก็ทำให้วงการวิทยาศาสตร์สนใจและตั้งใจฟัง และทฤษฎีบทพื้นที่ของสตีเฟน ฮอว์คิง ก็จะเป็นทั้ง “โจทย์” และ “แนวคิด” สำหรับการทำงานค้นหาคลื่นความโน้มถ่วง ทั้งที่พบแล้วสองครั้ง และครั้งใหม่ ๆ ต่อไป

(ติดตามเรื่องการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงในประเด็นเกี่ยวกับรางวัลโนเบล, ผลการค้นพบต่อโลกวิทยาศาสตร์, ต่อคนทั่วไป และเรื่องของวิทยาศาสตร์กับจินตนาการของคลื่นความโน้มถ่วงในฉบับหน้า)
แหล่งที่มา : ประชาคมวิจัย    ฉบับที่ : 129    หน้าที่ : 48    จำนวนคนเข้าชม : 103   คน