บัญชีรายชื่อเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วง GWTC-5.0
นักวิจัยจากสถาบันวิจัยคลื่นความโน้มถ่วง มหาวิทยาลัยกลาสโกว์ กำลังฉลองการเผยแพร่คลังข้อมูลการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงชุดใหม่ กลายเป็นหลักชัยการบรรลุความเบ่งบานเต็มวัยของดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง
บัญชีรายชื่อ GWTC-5(Gravitational Wave Transient Catalogue-5; GWTC-5.0) ได้เผยแพร่ออนไลน์ พร้อมกับรายงานทางวิทยาศาสตร์ใน Astrophysical Journal และ Astrophysical Journal Letters อัพเดทล่าสุดรวมสัญญาณใหม่ 161 แหล่งจากหลุมดำที่ชนกันที่พบระหว่างเดือนเมษายน 2024 จนถึงสิ้นเดือนมกราคม 2025 ในช่วงครึ่งหลังจากการเดินเครื่องรอบที่ 4(O4b) โดยเครื่องมือตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง LIGO ในสหรัฐฯ, Virgo ในอิตาลี และ KAGRA ในญี่ปุ่น ซึ่งเรียกรวมกันว่า กลุ่มความร่วมมือ LVK
การเผยแพร่ครั้งใหม่ทบให้จำนวนรวมสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่พบจนถึงปัจจุบันเพิ่มขึ้นเป็น 390 เหตุการณ์แล้ว การค้นพบที่สำคัญที่สุดที่เผยแพร่ในบัญชีนี้รวมถึงหลักฐานการมีอยู่ของหลุมดำรุ่นที่สอง, การระบุตำแหน่งบนท้องฟ้าที่แม่นยำที่สุดเท่าที่เคยทำมาสำหรับแหล่งคลื่นความโน้มถ่วง และการตรวจสอบรูปแบบการสั่น(vibrational modes) 3 แบบในหลุมดำแห่งหนึ่งได้เป็นครั้งแรก
นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยกลาสโกว์มีบทบาทสำคัญในงานวิจัยคลื่นความโน้มถ่วงมาตั้งแต่ทศวรรษ 1970 แล้ว นำไปสู่การพัฒนากระจกลอยที่ละเอียดอ่อน ที่ใจกลางของ LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ(NSF) ซึ่งทำให้การตรวจจับเกิดขึ้นได้
นับตั้งแต่การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเหตุการณ์แรกได้ในเดือนกันยายน 2015 กลุ่มงานคลื่นความโน้มถ่วงนานาชาติก็ปรับปรุงการทำงานของเครื่องมือตรวจจับและการวิเคราะห์ข้อมูลจากการตรวจจับ ซึ่งก็เกิดขึ้นถี่มากขึ้นเมื่อเครื่องมือมีความไวมากขึ้น
ในระหว่างการเดินเครื่องสำรวจ เครื่องมือตรวจจับพบสัญญาณราว 3 ถึง 4 ครั้งต่อสัปดาห์ โดยคาดว่าจะมีการตรวจจับที่ถี่ขึ้นอีกในการเดินเครื่องสำรวจในอนาคต กลุ่มความร่วมมือเรียกการรวบรวมข้อมูลแต่ละช่วงเวลาว่า การเดินเครื่องสำรวจ(observing runs) ตามสภาวะการอัพเกรดและทดสอบสำรวจของเครื่องตรวจจับ นี่เองก็เป็นเหตุผลที่เกิดบัญชีรายชื่อคลื่นความโน้มถ่วงด้วย ซึ่งรวบรวมข้อมูลที่ตรวจสอบแล้วและตัวแปรทางกายภาพของแหล่ง ซึ่งอัพเดทและแบ่งปันให้กับประชาคมวิทยาศาสตร์ในราวทุกๆ 6 เดือน
ดร. Daniel Williams นักวิจัยที่สถาบันเพื่อการวิจัยคลื่นความโน้มถ่วง กล่าวว่า เป็นอีกครั้งที่การอัพเดทนี้ช่วยให้ความเข้าใจของเราสู่เอกภพขยายและเจาะลึกมากขึ้น และช่วยให้เราได้แง้มมุมสู่วัตถุที่เป็นปริศนามากที่สุด-หลุมดำที่ชนกัน ได้มากขึ้น แต่เพิ่งสิบปีก่อนนี้เอง ที่เราเพิ่งตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้จากเหตุการณ์หนึ่งเป็นครั้งแรก และมันก็หลักชัยในการทำงานของนักวิทยาศาสตร์หลายร้อยคนจากทั่วโลกว่าขณะนี้เราได้ตรวจจับและวิเคราะห์เหตุการณ์ได้หลายร้อยเหตุการณ์
สเปคโตรแกรมเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงทั้งหมดใน GWTC-5.0 ที่พบใน O4b และมีอัตราสัญญาณบวกลวง(false alarm) ไม่ถึง 1 เหตุการณ์ต่อปี
นอกเหนือจากมุมมองใหม่ที่เปิดออกโดยการสำรวจจำนวนมากเหล่านี้ บัญชีรายชื่อใหม่ยังรวมถึงการตรวจจับหลายเหตุการณ์ที่ตัวมันเองก็พิเศษ และสร้างสถิติใหม่ในการสำรวจดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงด้วย เช่น การระบุตำแหน่งบนท้องฟ้าของแหล่งคลื่นความโน้มถ่วงที่แม่นยำที่สุดเท่าที่เคยทำมา, สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ชัดเจนที่สุดเท่าที่เคยบันทึกมา และหลักฐานการมีอยู่ของหลุมดำรุ่นที่สอง
สัญญาณหนึ่งที่ตรวจจับได้โดย LIGO 2 แห่งและ Virgo เมื่อวันที่ 15 มิถุนายน 2024(จึงถูกเรียกว่า GW240615) สร้างสถิติการระบุตำแหน่งบนท้องฟ้าที่แม่นยำที่สุดเท่าที่เคยสำรวจกับแหล่งคลื่นความโน้มถ่วง แหล่งถูกจำแนกในพื้นที่แห่งหนึ่งที่มีขนาดเพียง 6 ตารางองศาเท่านั้น ซึ่งจัดว่าค่อนข้างเล็กบนทรงกลมท้องฟ้า เหตุการณ์เป็นการควบรวมของหลุมดำ 2 แห่งที่มีมวลราว 26 และ 30 เท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งชนกันอย่างรุนแรงไกลออกไปกว่า 3 พันล้านปีแสงจากโลก
ใช้คลื่นความโน้มถ่วงตรวจสอบการขยายตัว
Alex Papadopoulos นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่สถาบันเพื่อการวิจัยคลื่นความโน้มถ่วง กล่าวว่า บัญชี GWTC-5 สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงกลุ่มใหญ่ขึ้นมากซึ่งช่วยตอบคำถามหนึ่งในคำถามข้อใหญ่ที่สุดในทางเอกภพวิทยาว่า เอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน อัตราการขยายตัวนี้อธิบายเป็นค่าที่เรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant) คลื่นความโน้มถ่วงช่วยให้เราตรวจสอบสิ่งนี้ได้โดยประเมินว่าวัตถุที่กำลังควบรวมกันอยู่ไกลแค่ไหน ไม่ว่าโดยตรงจากตัวสัญญาณเอง หรือโดยการจำแนกกาแลคซีต้นสังกัดที่การควบรวมเกิดขึ้น
หนึ่งในการปรับปรุงที่สำคัญใน GWTC-5 เปรียบเทียบกับบัญชีก่อนหน้านี้ก็คือการสำรวจเพิ่มจาก Virgo ซึ่งกลับมาหลังจากไม่ได้ร่วมสำรวจในการเดินเครื่องสำรวจก่อนหน้า เมื่อมีเครื่องมือตรวจจับนี้เพิ่มขึ้นมา เราก็สามารถระบุตำแหน่งของสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงบนท้องฟ้าได้เที่ยงตรงขึ้นอย่างมาก ทำให้จำแนก
กาแลคซีต้นสังกัดของการควบรวมแต่ละเหตุการณ์ได้ง่ายขึ้น
กราฟฟิคแสดงคลื่นความโน้มถ่วง(GW) ที่สำคัญทั้งหมดที่ LVK ได้พบตั้งแต่ O1-O4a กับเวลา, ระยะทาง, มวล และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน(Signal to Noise Ratio; SNR) ทั้งหมดได้เน้นว่าความไวของการตรวจจับ GW เพิ่มขึ้นตามเวลาอย่างไรซึ่งเรียกอีกชื่อว่า petri dish plot โดยส่วน O4a มีความหนาแน่นมากกว่า O1 อย่างมาก
คลังการตรวจจับที่ขยายขึ้นยังหมายถึงว่าเราอาจจะใช้สัญญาณ 236 เหตุการณ์ซึ่งเกือบสองเท่าของตัวเลขก่อนหน้านี้ ในการวิเคราะห์ แต่ละเหตุการณ์ก็ให้ข้อมูลเล็กน้อย แต่เมื่อรวมกันสัญญาณเพิ่มเติมเหล่านี้ก็ปรับปรุงผลสรุปได้
โดยรวมแล้ว การปรับปรุงเหล่านี้ช่วยเราตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลได้อย่างแม่นยำมากขึ้นกว่าที่เคยทำมาโดยใช้คลื่นความโน้มถ่วง ช่วยให้เราเข้าใกล้ความเข้าใจหนึ่งในคำถามเปิดที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์สมัยใหม่ได้มากขึ้น
สัญญาณที่ชัดใสที่สุด
การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงไม่ใช่หมายถึงแค่การจับสัญญาณ แต่ยังได้ข้อมูลจากสัญญาณรบกวน(noise) ที่รบกวนเครื่องมือตรวจจับด้วย นี่ต้องการการวิเคราะห์ข้อมูลอย่างละเอียดละออ ซึ่งเป็นเหตุผลที่ “ความแรง” หรือ “ความชัดใส” ของสัญญาณแสดงออกมาเป็น อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณกวน(signal-to-noise ratio; SNR) บัญชีรายชื่อเผยแพร่รวมถึงสัญญาณที่ชัดใสที่สุดเท่าที่เคยพบมา โดยมี SNR 76.9
สัญญาณ GW250114 มาถึงโลกในวันที่ 14 มกราคม 2025 และเกิดขึ้นจากการควบรวมของหลุมดำ 2 แห่งที่มีมวลเกือบเท่ากัน(32 และ 34 เท่าดวงอาทิตย์ ตามลำดับ) เกิดขึ้นห่างออกไปกว่า 1 พันล้านปีแสงจากโลก ความชัดใสของมันทำให้บรรลุถึงผลสรุปทางวิทยาศาสตร์ที่โดดเด่นบางอย่าง ซึ่งรวมถึงมีการทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอย่างเที่ยงตรงที่สุดเท่าที่เคยทำ และการยืนยันทฤษฎีบทพื้นที่ผิวหลุมดำ(black hole area theorem) ของ สตีเฟน ฮอว์คิง ได้
จากความคมใสของสัญญาณเหตุการณ์ GW250114 ช่วยให้ตรวจสอบรายละเอียดได้มากมาย
ดร John Veitch จากมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ซึ่งวิเคราะห์สัญญาณหลุมดำ กล่าวว่า ด้วยความดังของ GW250114 เราจึงสามารถเปรียบเทียบกาลอวกาศที่บิดเบี้ยวไปก่อนหน้าและหลังจากหลุมดำควบรวมกัน และพบว่าพื้นที่รวมของขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizons) เพิ่มขึ้นตามกฎกลไกหลุมดำของฮอว์คิง
หลังจากควบรวมแล้ว หลุมดำที่ได้ก็สั่นคล้ายกับระฆัง สร้างคลื่นความโน้มถ่วงออกมาแทนที่จะเป็นเสียง การวิเคราะห์คลื่นเหล่านี้ยืนยันว่าแม้จะส่งพลังงานออกมากับคลื่นความโน้มถ่วงในระหว่างการควบรวมแล้ว เอนโทรปี(entropy; ความไม่เป็นระเบียบตามกฎเทอร์โมไดนามิกส์) รวมของหลุมดำก็เพิ่มขึ้นตามกฎข้อสองของเทอร์โมไดนามิกส์ นี่แสดงว่าแม้แต่กับหลุมดำ ก็ยังใช้กฎเทอร์โมไดนามิกส์ได้ แต่ไม่เหมือนกับวัตถุปกติ ยิ่งมันเก็บพลังงานไว้มากแค่ไหน หลุมดำก็เย็นกว่าตามไปด้วย
เงื่อนงำของหลุมดำรุ่นที่สอง
ในเดือนตุลาคมและพฤศจิกายน 2024 ได้พบการควบรวมของหลุมดำที่พิเศษมาก 2 เหตุการณ์คือ GW241011 และ GW241110 เกิดขึ้นไกลออกไป 7 ร้อยล้าน และ 2.4 พันล้านปีแสงจากโลก ตามลำดับ การควบรวมเหล่านี้มีคุณลักษณะจำเพาะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การหมุนรอบตัวของหลุมดำ(กล่าวคือ การเรียงตัวและความเร็วในการหมุนรอบตัว) ซึ่งบ่งชี้ว่าวัตถุที่เกี่ยวข้องในการควบรวมเป็นหลุมดำรุ่นที่สอง(second-generation black hole) ซึ่งหมายความว่าตัวหลุมดำเองเป็นผลจากการควบรวมก่อนหน้านี้
วัตถุเหล่านี้น่าจะก่อตัวในสภาพแวดล้อมในอวกาศที่แออัดและหนาแน่นมาก เช่น ในกระจุกดาว ซึ่งเป็นสถานที่ที่หลุมดำน่าจะชนกันและควบรวมซ้ำแล้วซ้ำอีกได้มากกว่า
คลื่นความโน้มถ่วงจากสองเหตุการณ์ ซึ่งเป็นการควบรวมของหลุมดำที่มีมวลและการหมุนรอบตัวที่แตกต่างกัน แสดงถึงเส้นทางการก่อตัวหลุมดำที่ไม่ได้มาจากดาวฤกษ์มวลสูงในระบบดาวคู่
ภาพประชากรหลุมดำแบบกว้างๆ
จำนวนของเหตุการณ์ที่พบที่เพิ่มขึ้นยังช่วยให้นักวิจัยได้ศึกษาและจำแนกคุณสมบัติของหลุมดำกลุ่มต่างๆ ได้ชัดเจนมากขึ้น การสำรวจหลายร้อยเหตุการณ์ได้ช่วยให้เราได้ตรวจสอบมวล, การหมุนรอบตัวและระยะทางของหลุมดำคู่ได้อย่างมั่นใจ และพิสูจน์ความเชื่อมโยงระหว่างคุณสมบัติเหล่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราพบหลุมดำที่มีช่วงมวลที่ต่างกัน ก็มีการหมุนที่ต่างกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าพวกมันมีเส้นทางการก่อตัวที่แตกต่างกันไป ซึ่งได้สร้างกลุ่มของระบบคู่อันเป็นอัตลักษณ์
Sharan Banagiri นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยโมนาช และ OzGrav ในออสเตรเลีย อธิบายว่า เอกภพมีวิธีการก่อตัวหลุมดำคู่ได้หลายทาง บางส่วนอาจจะก่อตัวเมื่อเมฆก๊าซก้อนยักษ์ยุบตัวให้กำเนิดดาวฤกษ์มวลสูง 2 ดวงที่ต่อมากลายเป็นหลุมดำ อีกส่วนอาจเป็นหลุมดำที่วิ่งเข้าใกล้กันและกันในสภาพแวดล้อมที่หนาแน่นที่เต็มไปด้วยดาวอย่างในกระจุกดาว ในขณะที่บางส่วนก็เป็นผลผลิตของการควบรวมของหลุมดำรุ่นก่อนหน้านี้
แนวโน้มนี้มีนัยมาจากการสำรวจที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้ หลุมดำคู่ใน GW241011 และ GW241110 ตรวจพบว่ามีอัตราการหมุนรอบตัวที่สูงและมวลไม่เท่ากัน การสำรวจทั้งสองได้แสดงร่องรอยอันเป็นคุณลักษณะว่าหลุมดำขนาดใหญ่กว่าในแต่ละคู่ ไม่ได้ก่อตัวขึ้นโดยตรงจากดาวฤกษ์มวลสูง แต่จากการควบรวมก่อนหน้าของหลุมดำสองแห่ง
สัญญาณของหลุมดำที่ก่อตัวจากการควบรวมก่อนหน้านี้ยังคงอยู่ในประชากรกลุ่มนี้ บ่งชี้ว่า GW241011 และ GW241110 ไม่ได้มีความพิเศษหนึ่งเดียว แต่บอกถึงแนวโน้มที่ซ่อนอยู่ ขณะนี้เรามีหลักฐานเพิ่มขึ้นว่ามีหลายหนทางที่เอกภพจะสร้างหลุมดำเพื่อควบรวม นอกเหนือจากคู่ที่มาจากดาวฤกษ์มวลสูงในระบบคู่
การวิเคราะห์ทางสถิติแสดงว่ามวลของหลุมดำ ดูจะกระจุกเป็น 2 กลุ่มใหญ่คือ แถวๆ 10 เท่ามวลดวงอาทิตย์ กับ 35 เท่ามวลดวงอาทิตย์ กลุ่มแรกน่าจะมาจากดาวฤกษ์คู่ที่พัฒนามาด้วยกัน แต่กลุ่มหลังนั้นยากที่จะอธิบายด้วยแค่วิวัฒนาการดาวแบบมาตรฐาน สำหรับกลุ่มที่มวลสูงกว่านี้อาจเป็นหลุมดำรุ่นที่สองที่มีมวลเพิ่มจากการชนของหลุมดำขนาดเล็กกว่าก่อนนี้ ซึ่งเรียกการชนเป็นชุดนี้ว่า การควบรวมแบบลำดับขั้น(hierarchical merger)
การชนลักษณะนี้สร้างหลุมดำที่หมุนรอบตัวเร็วกว่าที่คาดไว้ซึ่งทำหน้าที่เป็นร่องรอยบอกถึงการควบรวมลำดับขั้นนี้ หนึ่งในสิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดที่เราพบเกี่ยวกับหลุมดำใหม่เหล่านี้ก็คือ พวกมันกำลังหมุนรอบตัวเร็วมากๆ Banagiri กล่าว ดวงอาทิตย์หมุนรอบตัวครบรอบทุกๆ 25 วัน ถ้ามันกลายเป็นหลุมดำและเริ่มต้นหมุนรอบเร็วพอๆ กับหลุมดำที่เราได้พบ มันก็น่าจะหมุนรอบตัวเร็วขึ้นหลายพันรอบต่อวินาที ทีเดียว
กราฟ “มวลในสุสานดาว”(masses in stellar graveyard) เวอร์ชั่นใหม่ล่าสุด ซึ่งเปรียบเทียบจำนวนและมวลของหลุมดำและดาวนิวตรอนที่พบโดย LVK(จุดสีฟ้าและส้ม) จนถึงมกราคม 2024 ในเวลาเพียง 8 ปีหลังจากที่มีการค้นพบครั้งแรก กับพวกที่พบโดยวิธีแม่เหล็กไฟฟ้า(EM; สีแดงและเหลือง) ตลอด 60 ปีที่ผ่านมา
การตรวจสอบประชากรแหล่งคลื่นความโน้มถ่วงงานล่าสุดยังคงนำเราให้เข้าใกล้การสร้างภาพที่ชัดเจนของกำเนิดหลุมดำคู่และดาวนิวตรอน ด้วยการเดินเครื่องสำรวจรอบต่อๆ ไปและเครื่องมือตรวจจับที่ไวมากขึ้น เราจะตรวจสอบแหล่งแต่ละแห่งได้แม่นยำมากขึ้น และเพิ่มจำนวนแหล่งในบัญชีรายชื่อ ช่วยให้เราได้ตรวจสอบดาราศาสตร์ฟิสิกส์การก่อตัวของวัตถุกะทัดรัดในรายละเอียดได้มากขึ้นเรื่อยๆ
ขณะนี้เมื่อเราตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงได้มากมาย จนเราไม่เพียงแต่เรียนรู้เกี่ยวกับการชนแต่ละเหตุการณ์ แต่ในทางดาราศาสตร์ก็เทียบเท่ากับการได้พบอารยธรรมโบราณ ผลสรุปใหม่ก็เหมือนกับการได้พบขุมทรัพย์ที่ถูกซ่อนไว้ เผยให้เห็นไม่เพียงแต่ชีวิตของแต่ละคน แต่เป็นโครงสร้างของโลกที่สาบสูญไปจนสิ้น
แหล่งข่าว phys.org : astrophysicists strike black gold with treasure trove of gravitational wave detections
sciencealert.com : “lost world” of gravitational waves reveals the origin of black holes
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2026 Blockdit
