‘GW250114 เป็นเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงที่มีเสียงดังที่สุดที่เราเคยตรวจพบมาจนถึงปัจจุบัน มันเหมือนกับเสียงกระซิบที่กลายเป็นเสียงตะโกน’
ในปี 1915 เสมียนคนหนึ่งที่ทำหน้าที่ตรวจสอบสิทธิบัตรต่าง ๆ ที่สำนักงานสิทธิบัตรของสวิตเซอร์แลนด์ในกรุงเบิร์น ได้นำเสนอของความคิดของเขาที่จะเปลี่ยนโลกไปตลอดกาลในตอนแรกผ่านบทความและต่อมาก็นำเสนอต่อวงการวิทยาศาสตร์
แม้ในตอนแรกจะยังไม่มีปฏิกิริยาตอบรับในทันที แต่ต้องใช้เวลาสักพักหนึ่งกว่าที่ผู้คนจะรู้ตัวว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์นั้นพิเศษแค่ไหน พร้อมกับเปิดตัววัตถุที่ชื่อว่า ‘หลุมดำ’ ให้โลกรู้จัก ซึ่งส่วนใหญ่ของแนวคิดก็ยังคงได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้องแม้จะผ่านมานับร้อยปีก็ตาม
ถึงอย่างนั้นก็มีบางสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันยังคงสงสัยอยู่ โดยไอน์สไตน์เสนอไว้ว่าหลุมดำนั้นควรเป็นวัตถุที่เรียบง่ายจนอธิบายได้ด้วยสมการเดียว
“ใช่หลุมดำนั้นลึกลับ ซับซ้อน และมีความสำคัญยิ่งต่อวิวัฒนาการของจักรวาล” แม็กซิมิเลียโน อิซี (Maximiliano Isi) ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย และนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ประจำศูนย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์เชิงคำนวณ สถาบันแฟลตไอรอน ในนิวยอร์กซิตี้ กล่าว
“แต่ในทางคณิตศาสตร์ เราคิดว่าหลุมดำควรอธิบายได้อย่างสมบูรณ์ด้วยตัวเลขเพียง 2 ตัว ทุกสิ่งที่ควรรู้เกี่ยวกับหลุมดำควรมาจากขนาดของหลุมดำหรือมวล และความเร็วในการหมุนของหลุมดำ” เขาเสริม
ไอน์สไตน์ยังเชื่ออีกว่าเมื่อหลุมดำสองหลุมชนกัน มันจะสร้างระลอกคลื่นเล็ก ๆ ในกาลอวกาศที่เคลื่อนไปทั่วจักรวาล ถึงอย่างนั้นมันก็อ่อนแอเกินกว่ามนุษย์จะรับรู้ได้ ไอน์สไตน์จึงเสียชีวิตไปด้วยความสงสัยที่ไม่ได้ทันพิสูจน์ว่าความคิดของเขาถูกต้องหรือไม่
กระนั้นแนวคิดของเขาก็ส่งผลมากมายต่อนักฟิสิกส์รุ่นถัดมาเช่น สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) ซึ่งในปี 1971 เขาทำนายเอาไว้ว่าเมื่อหลุมดำทั้งสองชนกัน พื้นที่ผิวที่เกิดขึ้นจะต้องเท่ากับหรือมากกว่าพื้นที่ผิวของหลุมดำ
“มันเป็นทฤษฎีบทที่ลึกซึ้งแต่เรียบง่ายมาก ซึ่งกล่าวว่าพื้นที่ผิวทั้งหมดของหลุมดำไม่สามารถลดลงได้ มีแต่จะใหญ่ขึ้นหรือคงเดิมเท่านั้น” อิซี กล่าว ผลงานเชิงทฤษฎีเหล่านี้ทรงคุณค่าและมันได้เปลี่ยนมุมมองของเราที่มีต่อหลุมดำไปตลอดกาล
ในปี 1992 โครงการที่ชื่อว่า หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ หรือ LIGO ถูกสร้างขึ้นโดยมีเป้าหมายสูงสุดคือเพื่อพิสูจน์ที่สิ่งที่ ไอน์ไสตน์ และ ฮอว์คิง กล่าวไว้ ภายในความร่วมมือขององค์กรวิทยาศาสตร์มากมาย
LIGO ผ่านการปรับปรุงและตรวจสอบมากมาย ทว่าแม้จะผ่านไปหลายปี เครื่องตรวจจับนี้ก็ยังคงเงียบงัน จนกระทั่งปี วันที่ 14 กันยายน 2015 สัญญาณแรกก็ปรากฎ หลุมดำเล็ก ๆ สองหลุมที่มีมวลประมาณ 36 และ 29 เท่าของดวงอาทิตย์รวมตัวกัน
คลื่นความโน้มถ่วงที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้ได้เคลื่อนผ่านอวกาศมาอย่างยาวนานราว 1.3 พันล้านปี และมาถึงโลกในช่วงเวลาที่มนุษยชาติวิวัฒนาการขึ้นพร้อมกับสร้างเทคโนโลยีที่สูงพอจะ ‘ฟัง’ สิ่งที่เกิดขึ้นได้ วงการวิทยาศาสตร์ได้ยินเสียงกระซิบของหลุมดำป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์
นับตั้งแต่นั้นมา LIGO พันธมิตรในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง Virgo และเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง Kamioka (KAGRA) ได้ตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงจำนวนมากจากการชนกันของหลุมดำอื่น ๆ การรวมตัวกันระหว่างดาวนิวตรอน และแม้กระทั่งจากการรวมตัวกันแบบผสมระหว่างดาวนิวตรอนและหลุมดำที่หาได้ยากสองครั้ง
“นี่คือมุมมองที่ชัดเจนที่สุดเกี่ยวกับธรรมชาติของหลุมดำ” อิซี กล่าว “เราพบหลักฐานที่หนักแน่นที่สุดบางส่วนที่บ่งชี้ว่าหลุมดำทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์คือหลุมดำตามที่คาดการณ์ไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์”
ใกล้จะครบรอบ 10 ปีจากการตรวจจับครั้งแรกของ LIGO จักรวาลก็ได้ส่งข่าวดีเพิ่มเติม หลุมดำสองหลุมที่มีมวลประมาณ 30 ถึง 35 เท่าของดวงอาทิตย์ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 1 พันล้านปีแสง ได้ค่อย ๆ หมุนเข้าหากัน
และในที่สุดมันก็รวมกันกลายเป็นหลุมดำมวลขนาด 63 เท่า และหมุนด้วยความเร็ว 100 รอบต่อวินาที สิ่งที่พิเศษก็คือ มันเป็นหนึ่งในสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงชัดเจนที่สุดเท่าที่เคยมีมา ราวกับว่าก่อนหน้านี้เป็นสิ่งกระซิบ แต่แล้วจู่ ๆ พวกมันก็ตะโกนเสียงดังขึ้นมา
“GW250114 เป็นเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงที่ดังที่สุดเท่าที่เราเคยตรวจพบมาจนถึงปัจจุบัน มันเหมือนเสียงกระซิบที่กลายเป็นเสียงตะโกน” เกเรนท์ แพรตเทน (Geraint Pratten) สมาชิกกลุ่มความร่วมมือ LIGO-Virgo-KAGRA และนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม กล่าว
“นี่ทำให้เรามีโอกาสอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนในการทดสอบทฤษฎีของไอน์สไตน์อย่างเข้มงวดที่สุด เท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งเป็นการยืนยันหนึ่งในคำทำนายอันล้ำสมัยของ สตีเฟน ฮอว์คิง ที่ว่าเมื่อหลุมดำรวมตัวกัน พื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์รวมกันจะขยายใหญ่ขึ้นเท่านั้น จะไม่หดตัวลง” เธอเสริม
ความชัดเจนที่ไม่เคยมีมาก่อนนี้ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถใช้ GW250114 เพื่อยืนยันคำทำนายเกี่ยวกับหลุมดำที่นักฟิสิกส์ชื่อดังเคยทำไว้เมื่อหลายทศวรรษก่อน นักวิจัยได้ใช้ลักษณะของสิ่งที่เกิดจากหลุมดำชนกันโดยเฉพาะ ‘เสียงกริ่ง’ หรือการสั่นที่เหมือนกับระฆังที่ถูกตี ซึ่งหลุมดำผลลัพธ์สุดท้ายสร้างขึ้น
อิซีกล่าวเสริมว่า เสียงกริ่งนี้ประกอบด้วยข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของหลุมดำและพื้นที่โดยรอบ แม้ว่าปรากฏการณ์นี้จะเคยถูกสังเกตมาบ้างแล้ว แต่ GW250114 กลับส่งสัญญาณที่มีชัดเจนกว่ามาก
“เราได้ระบุองค์ประกอบสองอย่างของเสียงกริ่งนี้ ซึ่งทำให้เราสามารถทดสอบได้ว่าหลุมดำนี้สอดคล้องกับการอธิบายด้วยตัวเลขเพียงสองตัว คือมวลและการหมุน” อิซี กล่าว “และนี่คือรากฐานสำคัญต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการทำงานของอวกาศและเวลา นั่นคือหลุมดำเหล่านี้ควรจะไม่มีลักษณะพิเศษใดๆ เลย นี่เป็นครั้งแรกที่เราสามารถมองเห็นสิ่งนี้ได้อย่างน่าทึ่ง”
ในตอนที่ LIGO ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้ครั้งแรกเมื่อปี 2015 คิป ธอร์น (Kip Thorne) หนึ่งในสามผู้รับรางวัลโนเบลจากผลงานของ LIGO ได้เล่าว่า ฮอว์คิง โทรหาเขาทันทีที่ทราบเรื่องเพื่อถามว่า จะสามารถทดสอบทฤษฎีของเขาได้หรือไม่ และความชัดเจนของ GW250114 นั้นพิสูจน์ในแบบที่ไม่มีอะไรเปรียบได้
ฮอว์คิงและ นักฟิสิกส์ เจคอบ เบเคนสไตน์ (Jacob Bekenstein) ได้ทำนายไว้ว่าเมื่อหลุมดำรวมตัวกัน ขอบฟ้าเหตุการณ์จะมีพื้นที่เป็นสัดส่วนกับระดับความยุ่งเหยิงหรือ “เอนโทรปี” ของหลุมดำ GW250114 เปิดเผยว่าหลุมดำต้นกำเนิดมีพื้นที่ผิวรวมกันประมาณ 240,000 ตารางกิโลเมตร
ซึ่งเท่ากับขนาดสหราชอาณาจักรทั้งหมด อย่างไรก็ตาม หลุมดำลูกที่เกิดจากการรวมตัวกันมีพื้นที่ผิว 400,000 ตารางกิโลเมตร มันเป็นตัวเลขง่าย ๆ ที่เราเรียนกันมาตั้งแต่ประถม เมื่อทั้งสองบวกกันแล้วมันก็จะได้ผลลัพธ์ที่มากกว่าเดิม
“เนื่องจากเราสามารถระบุส่วนของสัญญาณที่มาจากหลุมดำได้ตั้งแต่เนิ่น ๆ ขณะที่หลุมดำทั้งสองแยกออกจากกัน เราจึงสามารถอนุมานพื้นที่ของหลุมดำจากส่วนนั้นได้” อิซี อธิบาย “จากนั้นเราจึงสามารถพิจารณาส่วนสุดท้ายของสัญญาณที่มาจากหลุมดำสุดท้าย และวัดพื้นที่ของมันเองได้”
เช่นเดียวกับ ธอร์น ที่กล่าวว่า “หากฮอว์คิงยังมีชีวิตอยู่ เขาคงจะดีใจที่ได้เห็นพื้นที่ของหลุมดำที่รวมตัวกันเพิ่มขึ้น”
ความเรียบง่ายเหล่านี้ทำให้หลุมดำแตกต่างจากวัตถุฟากฟ้าอื่น ๆ เช่น ดาวฤกษ์ที่ต้องอธิบายด้วยคุณสมบัติที่หลากหลาย แต่หลุมดำกลับอธิบายได้ด้วยตัวเลขเพียง 2 ค่า ซึ่งในตอนนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษามันได้อย่างละเอียดมากขึ้น ผ่านอุปกรณ์การวัดที่ละเอียดอย่างยิ่ง
โดยสามารถวัดความบิดเบี้ยวในกาลอวกาศที่มีขนาด 1/10,000 ของความกว้างของโปรตอน หรือเล็กกว่าความกว้างของเส้นผมมนุษย์ถึง 700 ล้านล้านเท่า
“ไร ไวส์ (Rai Weiss) เสนอแนวคิดของ LIGO ในปี 1972 และผมคิดว่า ‘มันไม่น่าจะเป็นไปได้เลยที่จะได้ผล’” ธอร์น กล่าว “ผมใช้เวลาคิดเรื่องนี้เป็นระยะสามปี และหารือแนวคิดกับไรและวลาดิเมียร์ บรากินสกี [Vladimir Braginsky; นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย]”
“กว่าจะเชื่อว่าแนวคิดนี้มีความเป็นไปได้สูงที่จะประสบความสำเร็จ ความยากลำบากทางเทคนิคในการลดสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการซึ่งรบกวนสัญญาณที่ต้องการนั้นมหาศาล เราต้องคิดค้นเทคโนโลยีใหม่ทั้งหมด”
ไม่มึใครคาดคิดเลยว่าสักวันหนึ่ง มนุษยชาติจะสร้างเครื่องมือที่เปลี่ยนมุมมองต่อหลุมดำและจักรวาลไปได้ตลอดกาล แม้แต่ไอน์สไตน์เองก็ไม่เชื่อว่าเครื่องมือใดบนโลกนี้จะมีความไวพอที่จะตรวจจับระลอกเคลื่อนอวกาศเหล่านี้ได้ในตอนที่เขาเสนอทฤษฎีของเขา
“เพียง 10 ปีก่อน LIGO ได้เปิดโลกทัศน์ของเราให้รู้จักคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรก และเปลี่ยนมุมมองของมนุษย์ต่อจักรวาล” อาเมียร์ อาลี (Aamir Ali) ผู้อำนวยการโครงการในแผนกฟิสิกส์ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) ซึ่งให้การสนับสนุน LIGO มาตั้งแต่เริ่มก่อตั้ง กล่าวในแถลงการณ์
“จักรวาลทั้งมวลกำลังรอการสำรวจผ่านมุมมองใหม่นี้ และการค้นพบล่าสุดเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า LIGO เพิ่งเริ่มต้นเท่านั้น”
สืบค้นและเรียบเรียง
วิทิต บรมพิชัยชาติกุล
ที่มา
https://www.scientificamerican.com