ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (Einstein’s Theory of General Relativity, 1915) เขาแสดงให้เห็นว่า การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของวัตถุที่มีมวลมาก เช่น ดาวนิวตรอน หลุมดำ จะทำให้เกิดการแปรปรวนครั้งใหญ่ของอวกาศ-เวลา สร้างระลอกคลื่นความโน้มถ่วง (ripples of gravitational waves) แผ่ไปทั่วจักรวาล ซึ่งเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงของ LIGO สามารถตรวจจับคลื่นเหล่านี้ได้เมื่อมันเดินทางผ่านมายังโลกเป็นครั้งแรกในปี 2015

LIGO ได้ให้คำอธิบายเพิ่มเติมเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วงดังนี้ “วัตถุใดๆที่มีมวลเมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง จะทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง นั่นรวมถึงมนุษย์, รถยนต์, เครื่องบิน เราจะสร้างคลื่นแรงโน้มถ่วงทุกครั้งที่เราไปวิ่งเหยาะๆ แต่มันก็มีขนาดเล็กเกินกว่าที่เครื่องมือจะตรวจจับได้

 

 

Calum Scott – Rhythm Inside

 

 

Sources and Types of Gravitational Waves

จากข้อมูลของ LIGO แหล่งกำเนิดและชนิดของคลื่นความโน้มถ่วงมีอยู่ 4 ประเภทดังต่อไปนี้

 

Type 1 : Continuous Gravitational Waves

 

ดาวนิวตรอน (neutron star) เป็นดาวขนาดเล็กมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 20 กิโลเมตร แต่มีความหนาแน่นสูงอย่างยิ่งยวด  ดาวนิวตรอนขนาดหนึ่งช้อนชา มีน้ำหนักถึงหนึ่งพันล้านตัน ดาวนิวตรอนเป็นซากแกนกลางของดาวฤกษ์มวลสูงที่หลงเหลือจากการระเบิดซูเปอร์โนว่า (supernova)

พัลซาร์ (pulsar) เป็นดาวนิวตรอนที่มีการหมุนรอบตัวเอง (spinning neutron star) ส่วนใหญ่หมุนรอบตัวเองเพียงไม่กี่ครั้งต่อวินาที แต่มีพัลซาร์หลายดวงที่หมุนตัวด้วยความเร็วสูง พัลซาร์ชนิดนี้เรียกว่า “millisecond pulsar” ในปี 1982 มีการค้นพบพัลซาร์ที่หมุนตัวเร็วที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมาในกาแล็กซี่ทางช้างเผือก อยู่ที่ความเร็ว 716 รอบต่อวินาที

 

lkb.upmc.fr

งานวิจัยให้ข้อบ่งชี้ที่ชัดเจนว่า ดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูง หรือ millisecond pulsars จะสร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่มีความถี่และขนาดของคลื่นที่เหมือนกันออกมาอย่างต่อเนื่อง เรียกคลื่นความโน้มถ่วงชนิดนี้ว่า “คลื่นความโน้มถ่วงต่อเนื่อง (Continuous gravitational waves)”

 

ligo.org

ภาพแสดงตัวอย่างจำลองของสัญญาณของคลื่นความโน้มถ่วงต่อเนื่อง (Continuous gravitational waves)

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงชนิดนี้อยู่อย่างขะมักเขม้น การตรวจจับ Continuous gravitational waves จะทำให้รู้เกี่ยวกับดาวนิวตรอนที่มองไม่เห็นในกาแล็กซี และนำไปสู่ความเข้าใจในวิวัฒนาการของดาวเหล่านี้

 

 

OneRepublic, Seeb – Rich Love

 

 

Type 2 :  Compact Binary Inspiral Gravitational Waves

 

ระบบดาวคู่ (Binary star system) คือระบบดาวที่มีดาวฤกษ์สองดวงโคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลกันและกันเหมือนคู่เต้นรำ

Compact binary stars ประกอบด้วยดาวที่มีความหนาแน่นสูงสองดวงโคจรรอบกันและกัน สมาชิกในระบบดาวคู่นี้ได้แก่ ดาวแคระขาว (white dwarfs), ดาวนิวตรอน (neutron stars) และหลุมดำ (black holes) การรวมตัวกันของ compact binary stars จะก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง

ระบบ “Compact binary stars” มี 3 คลาสย่อยดังนี้

Binary Black Holes คู่หลุมดำ

Binary Neutron Stars คู่ดาวนิวตรอน

Neutron Star-Black Hole Binary คู่ดาวนิวตรอนกับหลุมดำ

Compact binary stars แต่ละคู่มีกระบวนการสร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่เหมือนกัน เรียกว่า “inspiral” เป็นดังนี้ คู่ไบนารีแต่ละคู่ซึ่งโคจรรอบกันและกัน จะหมุนตีวงเข้าหากันด้วยอัตราเร่ง และมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง ความถี่ของสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อพวกมันหมุนวนเข้าหากันและโคจรเร็วขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งมาชนกัน ทำให้เกิดการระเบิดที่รุนแรงอย่างยิ่งยวดในจักรวาล และสร้างคลื่นความโน้มถ่วงแบบ  “compact binary inspiral gravitational waves” ที่มีความถี่ของคลื่นสูงขึ้นแบบฉับพลัน

 

Warped Space and Time Around Colliding Black Holes

ผู้อ่านคงจำวีดิโอข้างบนได้จากตอนที่แล้ว ซึ่งแสดงกระบวนการสร้างคลื่นความโน้มถ่วง “inspiral”

 

ปัจจุบันมีหอสังเกตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงอยู่ 3 แห่งคือ LIGO ซึ่งเป็นผู้นำหลักในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงทั้งหมดจนถึงปัจจุบัน โดย Virgo เข้าร่วมในเดือนสิงหาคม 2017 และล่าสุด O3/2109 เข้าร่วมในเดือนเมษายน 2019

 

ligo.org

หอสังเกตการณ์ LIGO ได้รับทุนสนับสนุนจาก NFS (มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติของอเมริกา; U.S. National Science Foundation) ถูกสร้างขึ้นและดำเนินการโดย Caltech (สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย; California Institute of Technology) และ MIT (สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์; Massachusetts Institute of Technology)

หอสังเกตการณ์ Virgo ตั้งอยู่ที่เมืองปิซา ประเทศอิตาลี ได้รับทุนสนับสนุนจาก INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) ของอิตาลี และศูนย์แห่งชาติ CNRS (de la Recherche Scientifique) ของฝรั่งเศส และดำเนินการโดยหอสังเกตุการณ์แรงโน้มถ่วงของยุโรป (European Gravitational Observatory)

มีนักวิทยาศาสตร์ 1,500 คนใน LIGO Scientific Collaboration และ Virgo Collaboration กำลังทำงานร่วมกันในการใช้เครื่องมือตรวจจับ ประมวลผล และทำความเข้าใจกับข้อมูลคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจจับได้

 

ตารางแสดงเหตุการณ์การเกิดคลื่นความโน้มถ่วงที่ LIGO ร่วมกับ Virgo ตรวจจับได้ตั้งแต่ปี 2015 เป็นต้นมา เกือบทั้งหมดมีแหล่งกำเนิดจากการรวมตัวกันของคู่หลุมดำ (Binary black holes)

 

Two Black Holes Merge into One (LIGO Lab – Caltec : MIT)

วีดิโอจำลองเหตุการณ์การมารวมตัวกันของคู่หลุมดำ (Binary black holes)

 

First Gravitational Waves from Binary Neutron Star Merger

เมื่อเดือนสิงหาคม 2017 จากการทำงานร่วมกันของหอสังเกตการณ์สามแห่ง คือ LIGO-Hanford & LIGO-Livingston ในอเมริกา และ Virgo ในอิตาลี สามารถตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกันของดาวนิวตรอนสองดวง (Binary neutron stars) ที่อยู่ในกาแล็กซี่ NGC 4993 เหตุการณ์ของการเกิดคลื่นความโน้มถ่วงครั้งนี้มีชื่อว่า GW170817 และนับเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงพร้อมแสงสว่าง!

ligo.org

ดาวนิวตรอนเป็นดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็ก แต่เป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นที่สุดในจักรวาล ก่อตัวขึ้นจากการระเบิดซุปเปอร์โนวาของดาวที่มีมวลสูง เมื่อดาวนิวตรอนสองดวง (Binary neutron stars) มาชนและรวมตัวกันเป็นดาวนิวตรอนดวงเดียวที่มีขนาดใหญ่ขึ้น พวกมันได้ปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งตรวจพบได้ประมาณ 100 วินาที  ตามมาด้วยการปลดปล่อยรังสีแกมม่าในรูปของแสงแฟลชในช่วงเวลาสั้นๆเพียง 2 วินาที ซึ่งถูกตรวจจับโดยเครื่องตรวจจับรังสีแกมม่าที่อยู่บนกล้องโทรทัศน์อวกาศ “Fermi” ขององค์การนาซ่า

ข้อมูล LIGO ระบุว่าวัตถุทางดาราศาสตร์สองตัวนี้อยู่ห่างจากโลกประมาณ 130 ล้านปีแสง และมีขนาดไม่ใหญ่เท่ากับคู่หลุมดำ (Binary black holes) ที่ LIGO และ Virgo ตรวจพบก่อนหน้านี้ วัตถุคู่ใหม่นี้ถูกประเมินว่ามีมวลประมาณ 1.1 ถึง 1.6 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งอยู่ในช่วงขนาดมวลของดาวนิวตรอน

Julie McEnery นักวิทยาศาสตร์จากนาซ่ากล่าวว่า ” เป็นเวลาหลายสิบปีแล้วที่นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่า การปะทุรังสีแกมม่าในช่วงเวลาสั้นๆนั้นเกิดจากการมารวมตัวกันของดาวนิวตรอนสองดวง ตอนนี้จากข้อมูลการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงของ LIGO และ Virgo เรามีความมั่นใจว่า คลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจจับได้ครั้งนี้เกิดจากการรวมตัวกันของคู่ดาวนิวตรอน  (Binary neutron stars) จากมวลที่สอดคล้องกับมวลดาวนิวตรอนและแสงแฟลชของรังสีแกมม่า เพราะถ้าเกิดจากการชนกันของคู่หลุมดำ (Binary black hole) จะไม่ให้แสงออกมา ”

อีกประการหนึ่งคือสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมตัวกันของ Binary neutron stars กับ Binary black holes มีความแตกต่างกัน  การรวมตัวของหลุมดำที่ LIGO ตรวจจับได้ครั้งแรก สร้างสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่มีความยาวเพียงเสี้ยววินาที แต่การชนกันของดาวนิวตรอนซึ่งมีมวลน้อยกว่าจะสร้างสัญญาณคลื่นยาวหลายสิบวินาที (สัญญาณสุดท้ายในภาพข้างล่าง)

 

ligo.org

ภาพแสดงสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงจาก 11 เหตุการณ์ที่ LIGO และ Virgo ตรวจจับได้

วีดิโอข้างล่างแสดงสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมตัวกันของคู่หลุมดำ (Binary black hole merger) ที่ LIGO ตรวจจับได้ครั้งแรกในปี 2015 นักวิทยาศาสตร์ได้แปลงสัญญาณคลื่นออกมาเป็นเสียง มาฟังกัน!

 

The Sound of Two Black Holes Colliding (LIGO Lab – Caltec : MIT)

 

ส่วนวีดิโอข้างล่างนี้ แสดงสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมตัวกันของคู่ดาวนิวตรอน (Binary neutron star merger)  ที่ LIGO และ Virgo ตรวจจับได้ครั้งแรกในปี 2017 และนักวิทยาศาสตร์ได้แปลงสัญญาณคลื่นออกมาเป็นเสียง

จะเห็นได้ว่ามีความแตกต่างกันอย่างชัดเจนระหว่างสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจาก Binary black hole merger และ Binary neutron star merger

 

First LIGO/Virgo detection of a binary neutron star merger (GW170817)  (LIGO Lab – Caltec : MIT)

 

Neutron Star-Black Hole Binary

 

เมื่อวันที่ 14 เดือนสิงหาคม 2019 LIGO และ Virgo  สามารถตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงแบบใหม่ซึ่งมีความแตกต่างจากสัญญาณคลื่นที่เคยตรวจจับได้ ตามรายงานเบื้องต้น มีความเป็นไปได้มากกว่า 90% ที่คลื่นความโน้มถ่วงนี้เกิดจากการรวมตัวของคู่ดาวนิวตรอนกับหลุมดำ นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เพราะถ้าเป็นการรวมตัวที่มีดาวนิวตรอนมาเกี่ยวข้อง เราจะเห็นแสงสว่างที่เกิดจากการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีแกมม่า) ต้องติดตามข่าวกันต่อไป

 

 

Martin Jensen, Bjørnskov – Somebody I’m Not

 

 

Type 3 : Stochastic Gravitational Waves

 

นักดาราศาสตร์เชื่อว่า แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงสองแบบที่ได้กล่าวมาคือ Continuous gravitational waves และ Binary inspiral gravitational waves เกิดขึ้นน้อยมากในจักรวาล อย่างไรก็ตาม พวกเขาเชื่อว่ามีคลื่นความโน้มถ่วงขนาดเล็กจำนวนมากจากทั่วทุกมุมจักรวาล เดินทางผ่านมายังโลกตลอดเวลา และพวกมัน mix เข้าด้วยกัน

คลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกสร้างมาจากการรวมตัวกันของคลื่นความโน้มถ่วงเล็กๆเหล่านี้ เรียกว่า ” Stochastic gravitational waves” ซึ่งเป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่เล็กที่สุดและยากที่สุดในการตรวจจับ แต่เป็นไปได้ว่าส่วนหนึ่งของคลื่นนี้อาจเกิดจากการระเบิดบิกแบง “Big Bang” การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่ระลึกจากบิกแบง จะช่วยให้เราสามารถมองย้อนกลับไปในประวัติศาสตร์ของจักรวาลมากกว่าที่เคยเป็นมา แต่ปัจจุบันยังไม่มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงชนิดนี้

 

ligo.org

ตัวอย่างสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงแบบ Stochastic gravitational waves ที่ LIGO จำลองขึ้นมา

 

Type 4 : Burst Graviatational Waves

 

การค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงระเบิด “Burst gravitational waves” เรียกได้ว่าเป็นการค้นหาสิ่งที่แทบไม่รู้รายละเอียดอะไรเลยอย่างแท้จริง เพราะนักวิทยาศาสตร์ไม่รู้เกี่ยวกับฟิสิกส์ของระบบมากพอที่จะทำนายว่า คลื่นความโน้มถ่วงจากแหล่งกำเนิดประเภทนี้จะปรากฎขึ้นเมื่อไรหรืออย่างไร

เป็นการยากมากที่จะค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงจากระบบที่เราไม่เคยรู้มาก่อน เราไม่สามารถสรุปได้ว่าพวกมันจะมีคุณสมบัติอย่างไร ต่างจาก Continuous gravitational waves หรือ Compact binary inspiral gravitational waves ที่นักวิทยาศาสตร์มีข้อมูลของแหล่งกำเนิดคลื่นมาก

มีสมมุติฐานว่าระบบบางอย่างเช่น การระเบิดซุปเปอร์โนวาหรือรังสีแกมมา อาจก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงออกมา แต่ปัจจุบันมีข้อมูลของระบบเหล่านี้น้อยมาก มีการคาดการณ์ว่าคลื่นความโน้มถ่วงชนิดนี้ อาจให้เสียง ‘ป๊อป’ หรือ ‘เสียงแตก’ (แต่ก็เป็นการยากที่จะพูด แทบไม่มีข้อมูลที่เป็นรายละเอียดของแหล่งกำเนิด) ถ้าสามารถตรวจจับ Burst gravitational waves ได้ มันจะเป็นแหล่งข้อมูลที่มีศักยภาพมากที่สุดที่ไขความลับของจักรวาล

 

ligo.org

ตัวอย่างสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงแบบ Burst gravitational waves ที่ LIGO จำลองขึ้นมา

 

 

ขอเผยแพร่แนวคิด “แม่น้ำเจ้าพระยา หนทางแก้ปัญหาภัยแล้งในภาคอีสาน”

เจ้าพระยา เพื่อนข้า ข้าอยากพาเจ้าไปแผ่นดินอีสาน#1   

เจ้าพระยา เพื่อนข้า ข้าอยากพาเจ้าไปแผ่นดินอีสาน#2   

สติแตก เพราะอ่านเจอโครงการเก่าแต่ชื่อใหม่ 

“TAP” Water for Life โครงการลำเลียงน้ำจืดผ่านทางท่อยาว 8,800 กม.ในแอฟริกา

ระดับน้ำแม่น้ำโขงต่ำที่สุดในรอบ 100 ปี และส่งผลสะเทือนใหญ่หลวงต่อธรรมชาติ