ในอวกาศพวกเขาพบคลื่นความโน้มถ่วงที่เปลี่ยนพื้นที่และเวลา หมายความว่าอย่างไร?

คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร?

คลื่นความโน้มถ่วงคือการเปลี่ยนแปลงในสนามโน้มถ่วงที่แพร่กระจาย

เหมือนคลื่นพวกมันปล่อยออกมาจากมวลที่เคลื่อนที่ แต่หลังจากการแผ่รังสี พวกมันจะถูกแยกออกจากพวกมันและดำรงอยู่อย่างเป็นอิสระจากมวลเหล่านี้ ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์กับการก่อกวนของหน่วยเมตริกกาล-อวกาศ และสามารถอธิบายได้ว่าเป็น “ระลอกคลื่น-กาลอวกาศ” 

คลื่นความโน้มถ่วงแบบโพลาไรซ์

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเช่นเดียวกับในคลื่นแรงโน้มถ่วงสมัยใหม่อื่นๆ ส่วนใหญ่ระบุว่าคลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดใหญ่ที่มีความเร่งแปรผัน คลื่นความโน้มถ่วงแพร่กระจายอย่างอิสระในอวกาศด้วยความเร็วแสง มีขนาดเล็กมากและลงทะเบียนยาก

คลื่นความโน้มถ่วงถูกค้นพบครั้งแรกในเดือนกันยายน พ.ศ. 2558 เครื่องตรวจจับแฝดสองเครื่องของหอดูดาว LIGO ซึ่งตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงน่าจะเกิดจากการรวมตัวของหลุมดำสองแห่งและการก่อตัวของหลุมดำหมุนวนขนาดใหญ่อีกหนึ่งหลุม

ดาวคู่ใดๆ ก็ตามเมื่อส่วนประกอบต่างๆ หมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลทั่วไปจะสูญเสียพลังงาน (ตามที่สันนิษฐาน - เนื่องจากการแผ่รังสีของคลื่นความโน้มถ่วง) และในที่สุดก็รวมเข้าด้วยกัน แต่สำหรับดาวคู่ธรรมดาที่ไม่อัดแน่น กระบวนการนี้ใช้เวลานานมาก นานกว่ายุคปัจจุบันของจักรวาลมาก

หากระบบคอมแพ็คคู่ประกอบด้วยดาวนิวตรอนคู่หลุมดำหรือการรวมกันของทั้งสองอย่างการรวมตัวอาจเกิดขึ้นได้ในเวลาไม่กี่ล้านปี ในตอนแรกวัตถุจะเข้าหากันและคาบการโคจรของมันจะลดลง จากนั้นในขั้นตอนสุดท้ายจะเกิดการชนกันและการยุบตัวของแรงโน้มถ่วงแบบไม่สมมาตร กระบวนการนี้ใช้เวลาเพียงเสี้ยววินาทีและในช่วงเวลานี้พลังงานจะถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีความโน้มถ่วงซึ่งตามการประมาณการบางอย่างมีมากกว่า 50% ของมวลของระบบ

คลื่นความโน้มถ่วงพบได้อย่างไร?

การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเนื่องจากจุดอ่อนของคลื่นค่อนข้างยาก อุปกรณ์สำหรับลงทะเบียนคือเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง มีการพยายามตรวจจับตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1960

คลื่นความโน้มถ่วงของแอมพลิจูดที่ตรวจพบได้ถือกำเนิดขึ้นในช่วงการล่มสลายของพัลซาร์คู่ เหตุการณ์ที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นในบริเวณใกล้เคียงกาแลคซีของเราประมาณหนึ่งครั้งต่อทศวรรษ แหล่งที่มาของคลื่นความโน้มถ่วงที่แรงที่สุดและบ่อยที่สุดสำหรับกล้องโทรทรรศน์โน้มถ่วงและเสาอากาศถือเป็นหายนะที่เกี่ยวข้องกับการล่มสลายของระบบดาวคู่ในกาแลคซีใกล้เคียง เป็นที่คาดกันว่าในอนาคตอันใกล้นี้ เหตุการณ์ที่คล้ายกันหลายๆ เหตุการณ์ต่อปีจะถูกบันทึกไว้ในเครื่องตรวจจับความโน้มถ่วงที่ได้รับการปรับปรุงใหม่ ซึ่งจะทำให้หน่วยเมตริกที่อยู่ใกล้โลกบิดเบี้ยวไป 10−21—10−23 

สองร่างเคลื่อนที่เป็นวงโคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลทั่วไป

วิธีใหม่ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง

ในปี 2560 นักวิทยาศาสตร์ที่ทำการทดลองภายใต้Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงครั้งแรกที่เกิดจากการรวมกันของหลุมดำสองหลุมที่อยู่ห่างจากโลก 1.3 พันล้านปีแสง คลื่นที่เกิดจากการชนกันนี้ได้ละเมิดพื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วงของจักรวาลและมาถึงโลก

นอกเหนือจากการรบกวนที่รุนแรงเช่นนี้เพียงครั้งเดียวซึ่งนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้เรียนรู้ที่จะแก้ไขแล้วมีพื้นหลังที่เรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วงนั่นคือการไหลของรังสีความโน้มถ่วงอย่างต่อเนื่องซึ่งตามทฤษฎีแล้วกำลังล้างโลกอยู่ตลอดเวลา

โอกาสอื่นในการตรวจจับพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วงที่เติมจักรวาลเป็นช่วงเวลาที่มีความแม่นยำสูงของพัลซาร์ที่อยู่ห่างไกลซึ่งเป็นการวิเคราะห์เวลาที่มาถึงของพัลซาร์ซึ่งเปลี่ยนไปในลักษณะเฉพาะภายใต้การกระทำของคลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่านช่องว่างระหว่างโลกและพัลซาร์

ในปี 2013 ความแม่นยำของเวลาคาดว่าจะอยู่ที่จำเป็นต้องเพิ่มขึ้นประมาณหนึ่งระดับเพื่อให้สามารถตรวจจับคลื่นพื้นหลังจากหลายแหล่งในจักรวาลของเราได้ และงานนี้สามารถแก้ไขได้ก่อนสิ้นทศวรรษ แต่การเคลื่อนผ่านของคลื่นความโน้มถ่วงน่าจะเปลี่ยนแปลงเวลาที่บันทึกแสงแฟลร์เหล่านี้ได้เล็กน้อยภายในไม่กี่นาโนวินาที ดังนั้น ด้วยการติดตามจังหวะเวลาของพัลซาร์ที่อยู่ห่างไกลอย่างแม่นยำ จึงเป็นไปได้ในทางทฤษฎีที่จะตรวจจับพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วงของกาแลคซีได้ ซึ่งได้รับการยืนยันจากผลลัพธ์เบื้องต้นจากโครงการ NANOGrav

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงใหม่อะไรบ้าง?

นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าพวกเขาสามารถตรวจจับสัญญาณของการแผ่รังสีความโน้มถ่วงคงที่ที่ผ่านจักรวาลและบิดเบือนโครงสร้างของกาล-อวกาศ

เราพบสัญญาณที่แรงในชุดข้อมูลของเรา เรายังบอกไม่ได้ว่าสิ่งเหล่านี้เป็นคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง แต่เป้าหมายของเราใกล้เข้ามาแล้ว

โจเซฟ ไซมอน นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์และผู้เขียนรายงานฉบับนี้

ตามที่ผู้เขียนไม่มีหอดูดาวอื่น ๆสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเบื้องหลังได้เนื่องจากพวกเขามุ่งเน้นไปที่การค้นหาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นครั้งเดียวซึ่งกินเวลาหลายวินาที จากการทดลองนี้นักวิทยาศาสตร์ได้ติดตามพัลซาร์ 45 พัลซาร์ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาและพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงความถี่เล็กน้อย พัลซาร์เปรียบได้กับประภาคารกาแลคซีที่ตั้งอยู่ในสถานที่เดียวกันตลอดเวลา

เรากำลังมองหาคลื่นที่คงอยู่นานหลายปีหรือหลายทศวรรษตามทฤษฎี การควบรวมดาราจักรและเหตุการณ์ทางจักรวาลวิทยาอื่น ๆ ทำให้เกิดการระเบิดของคลื่นความโน้มถ่วงขนาดใหญ่อย่างต่อเนื่อง ต้องใช้เวลาหลายปีหรือนานกว่านั้นกว่าที่คลื่นดังกล่าวจะเคลื่อนผ่านโลก ด้วยเหตุนี้ จึงไม่มีการทดลองอื่นๆ ที่มีอยู่สามารถตรวจพบได้โดยตรง 

โจเซฟ ไซมอน นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์และผู้เขียนรายงานฉบับนี้

คลื่นแรงโน้มถ่วงที่ผ่านไปเปลี่ยนไปรูปแบบที่มั่นคงของแสงที่เปล่งออกมาจากพัลซาร์เพิ่มขึ้นหรือหดตัวตามระยะทางสัมพัทธ์ที่รังสีเหล่านี้เดินทางผ่านอวกาศ กล่าวอีกนัยหนึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วงในทางทฤษฎีได้โดยการติดตามการเปลี่ยนแปลงที่สัมพันธ์กันในช่วงเวลาที่รังสีพัลซาร์มาถึงโลก

คลื่นความโน้มถ่วงเหล่านี้กำลังทำอะไร?

คลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่านจะเปลี่ยนไปรูปแบบคงที่ของแสงที่เล็ดลอดออกมาจากพัลซาร์ เพิ่มหรือบีบอัดระยะทางสัมพัทธ์ที่รังสีเหล่านี้เดินทางผ่านอวกาศ กล่าวอีกนัยหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วงในทางทฤษฎีได้โดยการติดตามการเปลี่ยนแปลงที่สัมพันธ์กันในเวลาที่รังสีพัลซาร์มาถึงโลก อย่างไรก็ตาม ยังไม่เพียงพอสำหรับการสรุปขั้นสุดท้าย ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงได้ประกาศแผนการสร้าง IPTA ซึ่งเป็นเครือข่ายเครื่องมือที่จะทำให้สามารถตรวจจับการเบี่ยงเบนดังกล่าวของพัลซาร์จำนวนมากได้

การตรวจจับพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วงจะเป็นก้าวที่ยิ่งใหญ่ แต่เป็นเพียงก้าวแรกเท่านั้น ขั้นต่อไปคือการค้นพบแหล่งที่มาของพวกเขา และจากนั้น - ทุกอย่างใหม่ๆ ที่พวกเขาสามารถบอกเราเกี่ยวกับจักรวาลได้

โจเซฟ ไซมอน นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์และผู้เขียนรายงานฉบับนี้

อ่านเพิ่มเติม

การวิจัย: มนุษย์จะไม่สามารถควบคุมเครื่องจักร AI อัจฉริยะได้

การทำแท้งกับวิทยาศาสตร์: จะเกิดอะไรขึ้นกับเด็กที่จะคลอด

ชมภาพที่สวยที่สุดของกล้องฮับเบิล กล้องโทรทรรศน์เห็นอะไรในรอบ 30 ปี?