Blockdit Logo (Mobile)
Question to the designer
•
16 พ.ค. 2022 เวลา 07:35 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
Blackhole the series EP.02 Dancing Queen on the space time canvas
ในตอนที่ 1 ผมได้เขียนถึงเรื่องราวโดยสรุปของหลุมดำไป ซึ่งในบทความนั้นได้กล่าวถึงอิทธิพลอย่างหนึ่งอันเกิดจากหลุมดำ ที่ส่งผลต่อแผ่นกาลอวกาศ นั่นคือการส่งผ่านพลังงานในรูปคลื่นบนแผ่นกาล-อวกาศ ที่เรียกว่า "คลื่นโน้มถ่วง(Gravitational wave)" แล้วมันเป็นยังไง พบได้อย่างไรแล้ว มันสำคัญอย่างไรวันนี้ผมจะมาเล่าให้ฟังครับ หากบทความนี้มีข้อผิดพลาดหรือข้อมูลตกหล่นไป ผมต้องขออภัยมา ณ ที่นี้ด้วยครับ
ภาพจำลองการเกิดคลื่นโน้มถ่วง
- คืออะไรกัน ?
คลื่นโน้มถ่วงมันก็คือคลื่นชนิดหนึ่ง ซึ่งคลื่นก็จะส่งผ่านพลังงานและโมเมนตัมของจุดกำเนิดของคลื่นแผ่ไปยังกาล-อวกาศ ซึ่งตัวกลางของคลื่นโน้มถ่วงนี้ก็ คือ แผ่นกาล-อวกาศ โดยมันจะนำพลังงานจลน์อันมหาศาลของแหล่งกำเนิดคลื่น
โดยการปรากฏตัวของมนนั้นเกิดขึ้นในปี 1916 ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยในการคำนวณของไอสไตน์ได้แสดงให้เห็นว่า หากมีวัตถุที่มีมวล และความเร่งสูงมากพอที่จะสามารถรบกวนผืนกาล-อวกาศ ก็จะสามารถก่อให้เกิดคลื่นที่แผ่ไปในผืนกาล-อวกาศได้ โดยคลื่นนี้จะสามารถแผ่ไปได้ด้วยความเร็วแสง
หลังจากนั้นในปี 1974 ทีมนักวิจัยนำโดย รัสเซลล์ ฮัลส์ และ โจเซฟ เทย์เลอร์ นักดาราศาสตร์ทั้ง 2 ได้ใช้ข้อมูลของหอดูดาวอาซีโบ ในปัวโตริโก้ สังเกตพบพัลซาร์คู่ที่ห่างไป 21000 ปีแสงโดยเขาทั้งสองได้ให้การสังเกตในพัลซาร์คู่นี้เพราะมันอาจสามารถก่อให้เกิดคลื่นโน้มถ่วงได้ โดยหากเป็นเช่นนั้นจริงวงโคจรของมันทั้งสองจะต้องเคลื่อนที่เข้าหากันเรื่อยๆ
จนกระทั่ง 14 กันยายน 2015 LIGO ( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ได้ค้นพบผลของคลื่นโน้มถ่วง โดยเกิดจากการชนกันหรือเคลื่อนที่รอบกันและกันของหลุมดำ ที่ห่างไป 1.3 ล้านปีแสง และด้วยความห่างระดับนี้กว่ามันจะถึงโลกพลังงานของมันก็ลดลงไปเหลือเพียง 1 ในล้านแล้ว จะเปรียบเทียบคือแอมพลิจูดเล็กกว่านิวเคลียสอะตอมถึง 1000 เท่า
LIGO information by https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102
โดยความถี่เปลี่ยนแปลงในช่วง 35 เฮิร์ตซ์ ถึง 250 เฮิร์ตซ์และมีค่าความเครียดที่ 10^-21 ซึ่งน้อยมากๆๆ
กรณีที่จะทำให้เกิดคลื่นโน้มถ่วง
- มันเกิดจากอะไร ?
ด้วยการที่จะทำให้ผืนกาล-อวกาศสั่นไหวเป็นคลื่นที่มีแอมพลิจูดสูงได้นั้นแสดงว่าแหล่งกำเนิดคลื่นต้องมีพลังงานสูงเช่นกัน ซึ่งมีผลมาได้ 4 อย่าง คือ การโคจรรอบของระบบดาวนิวตรอนคู่ โคจรรอบของหลุมดำ ซุปเปอร์โนวา หรือ เป็นเศษซากที่เหลือจากการระบิดของบิ๊กแบงเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน
แบบจำลองMichelson-Morley Interferometer
-เสาะหา
การที่จะหาหรือรับรู้คลื่นโน้มถ่วงนั้นเป็นไปได้ยากมากเพราะจากที่บอกว่ากว่า คลื่นโน้มถ่วงจะแผ่ถึงมายังเรานั้นมันช่างน้อยนิดจนเซลล์เราแทบไม่รับรู้ด้วยซ้ำ เพราะปรากฏการณ์ที่จะส่งผลให้เกิดคลื่นโน้มถ่วงนั้นช่างห่างไกลจากเราเหลือเกิน แล้วเราจะรู้ถึงมันได้อย่างไรวิธีหนึ่งคือ การสังเกตการณ์การเปลี่ยนแปลงของแถบการแทรงสอดแสง จากเครื่อง interferometer
โดยผมจะอธิบายหลักการง่ายๆโดยยกจากรูปแบบที่ง่ายที่สุดอย่าง Michelson-Morley Interferometer โดยจะมีหลักการทำงานคือ จะปล่อยเลเซอร์จากแหล่งกำเนิดหนึ่งไปตกกระทบบน ตัวแยกแสงที่จะมีแสงบางส่วนผ่านไปและอีกส่วนสะท้อนเพื่อให้เกิดแสง 2 แหล่งที่อาพันธ์กัน โดยทั้ง 2 จะไปตกกระทบกับกระจกเงาแล้วสะท้อนกลับไปแทรงสอดผ่านตัวแยกแสงกระทบที่ Photodetector หรือฉากตกกระทบ เกิดเป็นรูปแบบการแทรกสอดเป็นวงๆ
interference pattern by http://electron9.phys.utk.edu/optics421/modules/m5/Interferometers.htm
LIGO interferometer by https://www.ligo.caltech.edu/page/ligos-ifo
-อินเตอร์เฟอร์โรมิเตอร์ยักษ์
จากที่ผมได้อธิบายแบบง่ายๆไปแล้วของเจ้าเครื่องแทรกสอดแสง แล้วของLIGO มันมีอะไรแตกต่างหรือมีการทำงานอะไรอย่างไร อย่างแรกที่เห็นชัดเลยก็คือ แขนของเจ้าเครื่องนี้นั้นมันใหญ่มากๆถึง 4 กิโลเมตรเลย แต่ของไมเคิลสัน-มอร์เลย์นั้นยาวเพียง 1.3 เมตร
และจะเห็นว่าระหว่างตัวแยกแสงและกระจกเงานั้นยังมีกระจกมาคั่นกลางทั้งนี้ก็เพื่อให้เกิดการสะท้อนของแสงเลเซอร์(สะท้อนถึง 300 ครั้ง) เรียกช่องว่างนี้ว่า Fabry Perot cavities
เพื่อเพิ่มความเข้มแสงเพื่อจำนวนโฟตอนที่เพิ่มขึ้นเพื่อความแม่นยำในการตรวจสอบ และเพื่อเพิ่มระยะทางการเดินทางแสงจากข้างละ 4 กิโลเมตรเป็น 1200 กิโลเมตร และยิ่งแขนหรือการเดินทางแสงยิ่งไกลแค่ไหนก็จะยิ่งสามารถตรวจจับความสั่นไหวในระดับเล็กได้ดีขึ้นเท่านั้น
และการที่จะตรวจสอบความละเอียดในระดับเล็กกว่า 1000 เท่าของนิวเคลียสอะตอมได้เราต้องใช้เลเซอร์ที่มีกำลังสูง ถึง 750 KW แต่ก็ต้องเผื่อในพลังงานเพราะแสงต้องเคลื่อนที่ถึง 1200 Km
ดังนั้น LIGO จึงใส่ กระจกหว่างแหล่งกำเนิดเลเซอร์และเครื่องแยกแสงเรียกว่า power recycling mirror ที่จะทำการเพิ่มความเข้มแสงโดยการสะท้อนระหว่างตัวมันและตัวแยกแสงทำให้แสงเลเซอร์ที่ได้มีความคมชัดขึ้น ทำให้สังเกตแถบแสงที่แทรกสอดที่จะเกิดความเปลี่ยนแปลงจากคลื่นโน้มถ่วงได้ง่ายขึ้น
Why we should know ?
-มันสำคัญอย่างไร
ความสำคัญของคลื่นโน้มถ่วงนี้ ถือ มีความสำคัญต่อองค์ความรู้ของมนุษย์มาก อย่างแรกคือ หากเราสามารถรู้ข้อมูลของคลื่นโน้มถ่วงนี้ได้ก็เท่ากับเรารู้ข้อมูลของแหล่งกำเนิดนั่นด้วย แล้วแหล่งกำเนิดมัน คืออะไรหละ ทั้งดาวนิวตรอน ซุปเปอร์โนวา และที่สำคัญหลุมดำ เพราะจากที่รู้ว่าหนึ่งในความกำกวมทางองค์ความรู้เราคือ เราไม่รู้ว่าอะไรอยู่ในหลุมดำ เราจึงต้องรอให้มันคายข้อมูลออกมาด้วยตัวมันเอง
ซึ่งในสมัย จอห์น วีลเลอร์ ก็บอกว่า หลุมดำมันไม่มีขน คือ หลุมดำมันจะไม่มีลักษณะปรากฏของข้อมูลใดๆเลย แต่งานวิจัยที่ผ่านมาก็คาดว่าคลื่นโน้มถ่วงก็คือขนของหลุมดำ มันจะส่งข้อมูลมาหาเรา และจากการที่มันก็คือเศษซากหลงเหลือของบิ๊กแบงทำให้เราอาจเก็บเกี่ยวข้อมูลของเราในอดีตได้อีกมาก คือ เราได้รู้จักตนเองอย่างลึกซึ้งขึ้น
ในตอนต่อไปจะเป็นตอนพิเศษที่ผมจะมาพูดถึงภาพหลุมดำล่าสุดที่ค้นพบอย่างหลุมดำมวลยิ่งยวดใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก อย่าง sagittarius A*
แหล่งอ้างอิง :
-Gravitational wave , https://www.ligo.caltech.edu/page/gravitational-waves
-what are gravitational wave , https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw
โฆษณา