คลื่นความโน้มถ่วงจากการควบรวมของหลุมดำรุ่นที่สอง
ในรายงานที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters กลุ่มความร่วมมือ LVK ได้รายงานการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงสองเหตุการณ์ในเดือนตุลาคมและพฤศจิกายน 2024 ที่หลุมดำมีการหมุนรอบตัวที่ไม่ปกติ การสำรวจได้เพิ่มชิ้นส่วนใหม่ให้กับความเข้าใจปรากฏการณ์ประหลาดที่เข้าใจยากที่สุดในเอกภพ
คลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves) เป็นระลอกในกาลอวกาศที่เป็นผลจากเหตุการณ์ที่รุนแรงในอวกาศห้วงลึก โดยคลื่นที่รุนแรงที่สุดถูกสร้างจากการชนของหลุมดำ ด้วยการใช้เทคนิคอัลกอริทึมที่ชาญฉลาดและแบบจำลองคณิตศาสตร์ นักวิจัยก็สามารถสร้างรายละเอียดทางกายภาพหลายอย่างเกี่ยวกับหลุมดำที่พบจากการวิเคราะห์สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงได้ เช่น มวลของพวกมัน และระยะห่างจากโลก และแม้แต่ความเร็วและทิศทางการหมุนรอบตัว
การควบรวมที่พบในวันที่ 11 ตุลาคม 2024(GW 241011) เกิดขึ้นห่างออกไปเพียง 7 ร้อยล้านปีแสงเท่านั้น และเป็นผลจากการชนของหลุมดำสองแห่งที่มีมวลราว 17 และ 7 เท่ามวลดวงอาทิตย์ หลุมดำที่ใหญ่กว่าที่เกี่ยวข้องใน GW 241011 พบว่าเป็นหนึ่งในหลุมดำที่หมุนรอบตัวเร็วที่สุดเท่าที่เคยพบมา
ข้อมูลที่เกี่ยวข้องใน GW 241110 และ GW 241011 ภาพปก การควบรวมของหลุมดำที่มีขนาดต่างกัน
และในอีกเกือบหนึ่งเดือนต่อมาคือ วันที่ 10 พฤศจิกายน 2024(GW 241110) ก็เกิดจากการชนที่ห่างออกไป 2.4 พันล้านปีแสง และเป็นการควบรวมของหลุมดำที่มีมวล 16 และ 8 เท่าดวงอาทิตย์ ในขณะที่หลุมดำเกือบทั้งหมดที่สำรวจพบมีการหมุนรอบตัวในทิศทางเดียวกันกับการโคจร แต่พบว่าหลุมดำหลักใน GW 241110 กำลังหมุนรอบตัวในทิศทางที่ตรงกันข้ามกับการโคจร เป็นครั้งแรกที่ได้พบคุณลักษณะแบบนี้จากหลุมดำคู่ที่ควบรวมกัน
Carl-Johan Haster ผู้ช่วยศาสตราจารย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเนวาดา ลาสเวกัส ผู้เขียนร่วมรายงานกล่าวว่า การตรวจจับแต่ละเหตุการณ์ได้ให้แง่มุมที่สำคัญเกี่ยวกับเอกภพ ย้ำเตือนเราว่าการควบรวมแต่ละครั้งที่สำรวจพบนั้นเป็นการค้นพบทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์และยังเป็นห้องทดลองอันทรงคุณค่าในการพิสูจน์กฎพื้นฐานทางฟิสิกส์ด้วย เคยมีการทำนายระบบหลุมดำคู่ลักษณะแบบนี้มาก่อนจากการสำรวจก่อนหน้านี้ แต่นี่เป็นหลักฐานโดยตรงชิ้นแรกที่แสดงการมีอยู่ของพวกมัน
น่าสนใจยิ่งที่การตรวจจับทั้งสองเหตุการณ์ยังชี้ไปถึงความน่าจะเป็นของหลุมดำรุ่นที่สอง(second-generation black holes) GW 241011 และ GW241110 นั้นเป็นเหตุการณ์ที่น่าจดจำที่สุดท่ามกลางหลายร้อยเหตุการณ์ที่ LVK(LIGO-Virgo-KAGRA) ได้สำรวจมา Stephen Fairhurst ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ และโฆษกกลุ่มความร่วมมือทางวิทยาศาสตร์ LIGO กล่าว ด้วยเหตุการณ์ทั้งสองที่มีหลุมดำหนึ่งซึ่งมีมวลสูงกว่าอีกแห่งพอสมควร และยังหมุนรอบตัวเร็ว ได้ให้หลักฐานว่าหลุมดำเหล่านี้ก่อตัวขึ้นจากการควบรวมของหลุมดำก่อนหน้านี้
การำควบรวมของฟลุมดำแบบลำดับขั้น
นักวิทยาศาสตร์ชี้ให้เห็นเงื่อนงำที่ชัดเจน ซึ่งรวมถึงขนาดที่แตกต่างกันของหลุมดำในแต่ละคู่ที่ควบรวมที่หลุมดำที่ใหญ่กว่ามีขนาดราวสองเท่าของหลุมดำเล็ก และการเรียงตัวการหมุนรอบตัวของหลุมดำใหญ่ในแต่ละเหตุการณ์ คำอธิบายโดยธรรมชาติสำหรับความแปลกพิสดารเหล่านี้ก็คือหลุมดำที่พบเป็นผลจากการชนก่อนหน้า
กระบวนการนี้เรียกว่า การควบรวมแบบลำดับขั้น(hierarchical merger) ได้บอกว่าระบบเหล่านี้ก่อตัวขึ้นในสภาพแวดล้อมที่แออัด ในพื้นที่อย่างกระจุกดาวซึ่งหลุมดำน่าจะวิ่งเข้าหากันและกันได้ง่ายกว่าและควบรวมซ้ำแล้วซ้ำอีก การตรวจจับเหล่านี้เน้นให้เห็นถึงความสามารถอันพิเศษสุดของหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงรอบโลก Gianluca Gemme โฆษกกลุ่มความร่วมมือ Virgo กล่าว
รูปแบบการหมุนรอบตัวที่ไม่ปกติที่พบใน GW241011 และ GW241110 ไม่เพียงแต่ท้าทายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการก่อตัวหลุมดำแต่ยังให้หลักฐานเพิ่มเติมแก่การควบรวมแบบลำดับขั้นในสภาพแวดล้อมในอวกาศที่แออัด พวกมันสอนเราว่าหลุมดำบางส่วนก็ไม่ได้อยู่แบบเป็นคู่โดดเดี่ยว แต่น่าจะเป็นสมาชิกในกลุ่มที่แออัดและเปี่ยมด้วยพลวัต การค้นพบเหล่านี้ย้ำให้เห็นความสำคัญของการร่วมมือในระดับนานาชาติในการไขปริศนาปรากฏการณ์ประหลาดที่พบได้ยากที่สุดในเอกภพ
เวคเตอร์การหมุนรอบตัวของหลุมดำหลังจากควบรวมของ GW241011(ซ้าย) และ GW241110(ขวา) ในกราฟย่อยพิกัดรัศมี(radial coordinates) มีค่า 0-1 และบอกถึงอัตราการหมนรอบตัว
คลื่นความโน้มถ่วงถูกทำนายขึ้นเป็นครั้งแรกโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อันเป็นผลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป(general relativity theory) ของเขาในปี 1915 แม้จะพิสูจน์ได้ในช่วงทศวรรษ 1970 แต่ก็ไม่ใช่การสำรวจได้โดยตรง นักวิทยาศาสตร์ต้องรอจนกระทั่งปี 2015 เมื่อกลุ่มความร่วมมือ LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) และ Virgo ประกาศการตรวจจับคลื่นอันเป็นผลจากหลุมดำควบรวมกัน
ทุกวันนี้ LVK เป็นเครือข่ายเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงชั้นสูงรอบโลกและกำลังใกล้จะปิดการเดินเครื่องสำรวจรอบที่สี่ O4 แล้ว ซึ่งเริ่มต้นมาตั้งแต่ปลายเดือนพฤษภาคม 2023 และคาดว่าจะเดินเครื่องต่อจนถึงกลางเดือนพฤศจิกายนนี้
จนถึงตอนนี้ มีการสำรวจพบหลุมดำควบรวมกันราว 300 เหตุการณ์ผ่านคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งรวมถึงว่าที่คลื่นที่จำแนกใน O4 ที่กำลังรอการตรวจสอบขั้นสุดท้าย ยิ่งกว่านั้น ในกรณีของการสำรวจที่เพิ่งประกาศ ความแม่นยำในการตรวจสอบ GW241011 ก็ยังช่วยให้ทดสอบการทำนายหลักจากสัมพัทธภาพทั่วไปภายใต้สภาวะที่สุดขั้วได้ด้วย
ภาพจากศิลปินแสดงหลุมดำสองแห่งที่ควบรวมกัน โดยมีการหมุนรอบตัวและระนาบการโคจรที่แตกต่างกัน
จริงๆ แล้ว เหตุการณ์นี้ใช้เปรียบเทียบการทำนายจากสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ กับสมการสำหรับหลุมดำที่หมุนรอบตัวของ Kerr ที่ใช้ทฤษฎีของไอน์สไตน์บอกว่า การหมุนรอบตัวที่เร็วของหลุมดำจะแปรสภาพหลุมไปเล็กน้อย ทิ้งร่องรอยคุณลักษณะเฉพาะไว้ในคลื่นความโน้มถ่วงที่เปล่งออกมา ด้วยการวิเคราะห์ GW241011 ทีมวิจัยพบความสอดคล้องอย่างดีเยี่ยมกับสมการของเคอร์และเป็นอีกครั้งที่การทำนายของไอน์สไตน์ก็ยังเที่ยงตรงอยู่เสมอ
นอกจากนี้ เนื่องจากมวลของหลุมดำแต่ละแห่งที่แตกต่างกันพอสมควร สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงจึงมีเสียง “ฮัม” ในความถี่ที่สูงขึ้นอีก คล้ายกับโอเวอร์โทน(overtone) ของเครื่องดนตรี ซึ่งเพิ่งพบเป็นครั้งที่สามเท่านั้นใน GW241011 โอเวอร์โทนที่พบด้วยความใสกระจ่างชัดได้ยืนยันการทำนายจากไอน์สไตน์อีกครั้ง การค้นพบนี้ยังหมายความว่าเรามีความไวที่มากกว่าที่เคยเป็นมากับฟิสิกส์ใหม่ใดๆ ที่อาจอยู่นอกเหนือสัมพัทธภาพไอน์สไตน์ด้วย Haster กล่าว
ความไวในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ช่วยให้พบสัญญาณความถี่สูงกว่ามูลฐาน หรือ overtone
นอกจากนี้ หลุมดำที่หมุนรอบตัวเร็วอย่างที่สำรวจพบในการศึกษานี้ยังมีนัยยะต่อฟิสิกส์อนุภาคด้วย นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้เพื่อทดสอบว่าอนุภาคมูลฐานมวลเบาในสมมุติฐานมีอยู่จริงหรือไม่และพวกมันจะมีมวลแค่ไหน อนุภาคเหล่านี้ซึ่งอาจใช้เพื่ออธิบายสสารมืด(dark matter) เรียกว่า โบซอนเบามาก(ultralight boson) ทำนายขึ้นโดยบางทฤษฎีที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองฟิสิกส์อนุภาคมาตรฐาน(standard model of particle physics) ซึ่งอธิบายและแจกแจงอนุภาคพื้นฐานทั้งหมด
ถ้าโบซอนเบามากมีอยู่ พวกมันจะดึงพลังงานการโคจรออกจากหลุมดำที่กำลังหมุนรอบตัว พลังงานที่ดึงมาได้มากน้อยเพียงใดและการหมุนรอบตัวของหลุมดำที่ช้าลงไปเท่าใดเมื่อเวลาผ่านไป จะขึ้นอยู่กับมวลของอนุภาคเหล่านี้ ซึ่งก็ยังไม่ทราบแน่ การสำรวจพบว่าหลุมดำขนาดใหญ่ในระบบคู่ที่เปล่ง GW241011 ยังคงหมุนรอบตัวเร็วมากแม้จะหลังจากที่มันก่อตัวขึ้นมาหลายล้านปี(หรืออาจจะหลายพันล้านปี) ได้กำจัดค่ามวลของโบซอนเบามากออกไปได้อย่างมาก
การสำรวจคลื่นความโน้มถ่วงที่หลุมดำที่กำลังหมุนรอบตัวเร็วมากเปล่งออกมาก่อนควบรวม อาจช่วยไขปริศนาอนุภาคในทฤษฎีที่เรียกว่า โบซอนเบามาก(ultralight boson) ซึ่งน่าจะขโมยพลังงานการโคจรของหลุมดำที่หมุนรอบตัวออกมา(super radiance) สร้างเป็นกลุ่มเมฆรอบหลุมดำ
การตรวจจับและตรวจสอบเหตุการณ์ทั้งสองได้แสดงว่าจำเป็นแค่ไหนที่ต้องเดินเครื่องตรวจจับไปพร้อมๆ กันและจำเป็นอย่างไรที่ต้องปรับปรุงความไวของพวกมัน Francesco Pannarale ศาสตราจารย์ที่ซาเปียนซา มหาวิทยาลัยแห่งโรม และประธานร่วมแผนกวิทยาศาสตร์การสำรวจของ LVK กล่าว
เครื่องมือ LIGO และ Virgo สอนเราอีกครั้งว่าระบบคู่หลุมดำสามารถก่อตัวในเอกภพอย่างไรบ้าง เช่นเดียวกับฟิสิกส์พื้นฐานที่กำกับพวกมัน ด้วยการอัพเกรดอุปกรณ์ของพวกเรา เราจะสามารถเจาะลึกได้มากขึ้นเข้าสู่แขนงอื่นๆ ด้วยความแม่นยำในการตรวจสอบที่สูงขึ้นนี้
เครื่องตรวจจับ LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ที่ฮันฟอร์ด(บนซ้าย) และที่ลิฟวิงสตัน(ล่างขวา), Virgoในอิตาลี(ล่างซ้าย) และ KAGRA(Kamioka Gravitational wave Detector บนขวา) ในญี่ปุ่น
- 3
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
