คลื่นความโน้มถ่วงที่ดังชัดยืนยันทฤษฎีของฮอว์คิง(และอื่นๆ)
หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงมาตรแทรกสอดเลเซอร์(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory; LIGO) ฉลองสิบปีของวิทยาศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงโดยการยืนยันการทำนายโดยนักวิทยาศาสตร์เรืองนาม อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์, สตีเฟน ฮอว์คิง และ รอย เคอร์ และอาจจะเผยให้เห็นหนทางใหม่สู่ทฤษฎีควอนตัมแรงโน้มถ่วง(quantum gravity)
LIGO บรรลุถึงหลักชัยล่าสุดโดยการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง หรือระลอกในห้วงกาลอวกาศขนาดจิ๋ว การมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงถูกทำนายเป็นครั้งแรกโดย ไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปหรือทฤษฎีแรงโน้มถ่วง จากปี 1915 ระลอกที่เพิ่งพบใหม่เกิดขึ้นจากการควบรวมของหลุมดำสองแห่ง ซึ่งแต่ละแห่งมีมวลราว 32 เท่ามวลดวงอาทิตย์
มุมมองใหม่ๆ สู่เอกภพ ทั้งจากการสำรวจด้วยคลื่นความโน้มถ่วง และจากการสำรวจคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ในเวลาเพียงสี่วัน(14 กันยายน) LIGO ก็จะฉลองสิบปีพอดีนับตั้งแต่การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งแรก ซึ่งมีชื่อว่า GW 150914 เดินทางมาไกลราว 1.3 พันล้านปีแสงมาที่โลก การตรวจจับเหตุการณ์นี้กลายเป็นวิธีการใหม่เอี่ยมในทางดาราศาสตร์ เป็นวิธีเพื่อ “ฟัง” กาลอวกาศสั่นหลังจากเกิดเหตุการณ์ที่ทรงพลังที่สุดในอวกาศ แทนที่จะ “ดู” ซึ่งต้องพึ่งพาการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
นับแต่นั้น LIGO และพันธมิตรเครือข่ายตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง Virgo และ KAGRA(Kamioka Gravitational wave Detector) รวมเป็นเครือข่าย LVK ได้ตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงมากกว่า 300 เหตุการณ์ ซึ่งส่วนมากมาจากการชนกันของหลุมดำ โดยมีการควบรวมระหว่างดาวนิวตรอน และแม้แต่การควบรวมแบบผสมซึ่งเกี่ยวข้องกับดาวนิวตรอนดวงหนึ่งและหลุมดำอีกแห่ง ได้สองครั้ง
สัญญาณใหม่ที่ LIGO(Virgo และ KAGRA ไม่ได้ทำงานในช่วงการสำรวจพิเศษนี้) พบ GW250114(ตัวเลขแสดงวันที่สัญญาณมาถึงโลกคือ 14 มกราคม 2025) โดดเด่นท่ามกลางการตรวจจับก่อนหน้านี้ เมื่อมันเป็นสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ชัดเจนมากที่สุด การชนของหลุมดำใน GW250114 นั้นมีคุณสมบัติทางกายภาพเหมือนกับ GW 150914 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการอัพเกรดเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงอย่างมากตลอดช่วงสิบปีที่ผ่านมา สัญญาณใหม่จึง “ดัง” ชัดเจนกว่า GW 160914 เกือบสี่เท่า
Geraint Pratten สมาชิกกลุ่มความร่วมมือ LVK และนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม สหราชอาณาจักร กล่าวว่า GW250114 เป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่ดังที่สุดเท่าที่เราเคยพบมา มันก็เหมือนกับเสียงกระซิบกลายเป็นเสียงตะโกน นี่ช่วยให้เรามีโอกาสในการทดสอบทฤษฎีของไอน์สไตน์ที่สภาพที่สุดขั้วที่สุดเท่าที่จะทำได้
นอกจากนี้ ยังทดสอบการทำนายของ สตีเฟน ฮอว์คิง เกี่ยวกับขอบนอกของหลุมดำที่ดักแสงไว้ ซึ่งเรียกว่า ขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) ซึ่งเป็นจุดที่อิทธิพลแรงโน้มถ่วงของหลุมดำรุนแรงจนกระทั่งแม้แต่แสงก็หนีออกมาไม่ได้ เนื่องจากแรงโน้มถ่วงนั้นเป็นสัดส่วนกับมวล
ขนาดของขอบฟ้าสังเกตการณ์หรือรัศมีชวาร์ซชิลด์(Schwarzschild radius; ตั้งชื่อว่า คาร์ล ชวาร์ซชิลด์ นักฟิสิกส์ที่แก้สมการสัมพัทธภาพทั่วไปและทำนายการมีอยู่ของหลุมดำ) จึงขึ้นอยู่กับมวล(และการหมุนรอบตัว) ของหลุมดำด้วย ยิ่งมวลสูง ขอบฟ้าสังเกตการณ์ก็ยิ่งกว้างขึ้น
ทฤษฎีพื้นที่ของหลุมดำ(black hole area theorem) ซึ่งเป็นแนวคิดที่เสนอในปี 1971 โดยบอกว่าพื้นที่ผิวโดยรวมของหลุมดำจะไม่สามารถลดขนาดลงได้
อินโฟกราฟฟิคคลื่นความโน้มถ่วงที่เกี่ยวข้องกับ GW 250114
เมื่อหลุมดำควบรวมกัน มวลก็รวมเข้ามาเพิ่มพื้นที่ผิว แต่พวกมันก็สูญเสียพลังงานในรูปของคลื่นความโน้มถ่วงด้วย นอกจากนี้ การควบรวมยังอาจทำให้หลุมดำที่ได้หมุนรอบตัวเร็วขึ้น ซึ่งชักนำให้มันมีพื้นที่เล็กลงอีก ทฤษฎีพื้นที่หลุมดำบอกว่าแม้จะมีปัจจัยเหล่านี้ พื้นที่ผิวโดยรวมจะต้องเพิ่มขึ้นเสมอ ฮอว์คิงและนักฟิสิกส์ Jacob Bekenstein สรุปว่าพื้นที่ของหลุมดำนั้นเป็นสัดส่วนกับเอนโทรปี(entropy) ซึ่งตรวจวัดระดับความไร้ระเบียบ
นี่เป็นการทดสอบทฤษฎีพื้นผิวหลุมดำเพียงครั้งที่สองเท่านั้น การทดสอบครั้งแรกทำในปี 2021 โดยใช้ข้อมูลจากสัญญาณ GW 150914 โดยแสดงว่าสัญญาณสอดคล้องกับทฤษฎี แต่ก็ยังไม่สามารถยืนยันได้อย่างแน่นอนผลสรุปที่ได้มีระดับความเชื่อมั่นที่ 95% เทียบกับ 99.99% ที่ได้จากข้อมูลใหม่
ด้วยการแยกตรวจสอบมวลและการหมุนรอบตัวของหลุมดำต้นกำเนิด และเปรียบเทียบกับมวลและการหมุนรอบตัวของหลุมดำที่ได้ใน GW250114 นักวิทยาศาสตร์พบว่าหลุมดำต้นกำเนิดมีพื้นที่ผิวรวมกันราว 240,000 ตารางกิโลเมตร ส่วนหลุมดำที่ได้มีพื้นที่ 400,000 ตารางกิโลเมตร
การทำนายอีกงานที่ได้รับการพิสูจน์โดย GW250114 มาจากนักคณิตศาสตร์ Roy Kerr ซึ่งพัฒนาเรขาคณิตเคอร์จากสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งอธิบายกาลอวกาศที่ว่างเปล่ารอบหลุมดำที่หมุนรอบตัว(หรือหลุมดำเคอร์; Kerr black hole)
ภาพซ้าย ความถี่และเวลาที่ใช้สลายตัว(ครึ่งชีวิต) ของโทนต่างๆ ในช่วงสั่นแผ่วที่ตรวจสอบพบใน GW 250114 กากบาทสีดำระบุค่าที่ทำนายจากหลุมดำเคอร์ ภาพขวา สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่เปล่งโดยหลุมดำลูกแบ่งเป็นโทนต่างๆ เพื่อการจำลองที่สอดคล้องกับตัวแปรที่ตรวจสอบได้จาก GW 250114
หลังจากหลุมดำควบรวมกัน ระบบจะเข้าสู่สภาวะที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า สั่นแผ่ว(ringdown) หลุมดำที่ได้จากการควบรวมจะสั่นและเปล่งคลื่นความโน้มถ่วงที่ความถี่ที่จำเพาะซึ่งแผ่วลงอย่างรวดเร็ว เหมือนกับการสั่นของระฆัง เคอร์ได้ทำนายว่า “เสียง” ของหลุมดำขึ้นอยู่กับตัวแปรสองค่าของหลุมดำที่มี คือ มวลและการหมุนรอบตัว
ลองจินตนาการถึงเครื่องดนตรี เครื่องดนตรีแต่ละชนิดก็มีเสียงทีเป็นอัตลักษณ์ขึ้นอยู่กับรูปร่างและวัสดุ เสียงของระฆังก็จะแตกต่างจากเสียงของกลอง หรือกีตาร์ แต่เสียงก็ยังขึ้นอยู่กับว่าเครื่องดนตรีถูก “เล่น” หรือรบกวนอย่างไร เช่น การตีกลองด้วยไม้ก็ให้เสียงที่แตกต่างการตีกลองด้วยแปรง
หลุมดำเคอร์ก็มีเสียงที่ความถี่และช่วงเวลาที่จำเพาะ กำหนดโดยมวลและการหมุนของพวกมัน การรบกวนอาจทำให้เสียงเหล่านั้นเปล่งออกมาบ้างแต่ก็ไม่เสมอไป จากความใสชัดของสัญญาณจาก GW250114 เป็นครั้งแรกที่เราได้แยกแยะเสียง ของหลุมดำเคอร์ได้
นักวิจัย LVK ตรวจสอบรายละเอียดสภาวะสั่นแผ่วในรายละเอียด ซึ่งช่วยให้คำนวณมวลและการหมุนของหลุมดำ บอกได้ด้วยความเชื่อมั่นเป็นครั้งแรกว่า หลุมดำที่เกิดขึ้นเปล่งเสียงในสภาวะสั่นแผ่ว ออกมาอย่างน้อย 2 เสียง(tones) เป็นเสียงมูลฐาน และโอเวอร์โทน(overtone; ความถี่ที่ถัดจากความถี่มูลฐานซึ่งทำให้เกิดการสั่นพ้อง) และความถี่ก็สอดคล้องกับที่ทำนายไว้
การศึกษาอีกงานจาก LVK ซึ่งนำเสนอใน Physical Review Letters ระบุขีดจำกัดของเสียงที่สามที่แหลมกว่าในสัญญาณของ GW 250114 ได้ และทำการทดสอบความเที่ยงตรงของทฤษฎัสัมพัทธภาพทั่วไปอย่างเข้มงวดที่สุดในการอธิบายหลุมดำที่กำลังควบรวม
นอกจากนี้ ช่วงสภาวะสั่นแผ่วของอีกเหตุการณ์ GW 190521 ทำหน้าที่เป็นตัวทดสอบแนวคิดที่ว่าหลุมดำสามารถอธิบายได้ด้วยคุณลักษณะ 3 อย่างเท่านั้นคือ มวล, การหมุนรอบตัว และประจุไฟฟ้า ดังที่ John Wheeler นักฟิสิกส์เขียนกล่าวประโยคที่เป็นที่ฮือฮาว่า หลุมดำไม่มีขน(black holes have no hair) GW 190521 ผ่านการทดสอบและเราไม่พบสัญญาณฟิสิกส์ของหลุมดำใดๆ ที่เกินเลยจากที่สัมพัทธภาพทั่วไปบอกไว้
หนึ่งทศวรรษในการปรับปรุง LIGO ช่วยให้เราได้ทำการทดสอบที่ละเอียดอ่อนนี้ ต้องใช้เครื่องตรวจสอบทั้งสองแห่งเพื่อทำการทดสอบ เราไม่รู้ว่าอะไรจะเกิดในอีกสิบปีข้างหน้า แต่ในสิบปีแรกนี้ เราได้พัฒนาความไวของ LIGO ไปอย่างมาก นี่ไม่เพียงแต่หมายถึงว่าเรากำลังเร่งอัตราที่เราค้นพบหลุมดำใหม่ๆ แต่เรายังได้จับข้อมูลรายละเอียดเพื่อขยายขอบข่ายที่เราทราบเกี่ยวกับคุณสมบัติพื้นฐานของหลุมดำออกไป
แหล่งข่าว sciencealert.com : Hawking’s bold theory confirmed by loudest-ever black hole collision
- 3
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
