สิ่งที่คุณต้องรู้เพื่อทำความเข้าใจการตรวจจับครั้งใหญ่หนึ่งศตวรรษหลังจากอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เขียนความเข้าใจเกี่ยวกับอวกาศและเวลาของเราใหม่นักฟิสิกส์ได้ยืนยันการทำนายที่เข้าใจยากที่สุดเรื่องหนึ่งเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา ในกาแล็กซีอื่น หลุมดำสองหลุมที่อยู่ห่างออกไปหนึ่งพันล้านปีแสงชนกัน เขย่าโครงสร้างของกาลอวกาศ บนโลกนี้ เครื่องตรวจจับขนาดยักษ์สองเครื่องที่อยู่ฝั่งตรงข้ามของสหรัฐฯ สั่นไหวเมื่อคลื่นความโน้มถ่วงถล่มทับพวกมัน หลังจากหลายทศวรรษที่พยายามจะตรวจจับคลื่นโดยตรง หอดูดาว Laser Interferometer Gravitational-Wave ที่ได้รับการอัพเกรดเมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ Advanced LIGO ดูเหมือนจะประสบความสำเร็จ โดยนำไปสู่ยุคใหม่ของดาราศาสตร์
คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร?
การชนกันของจักรวาลขนาดมหึมาและการระเบิดของดาวอาจทำให้กาลอวกาศสั่นสะเทือนได้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าระลอกคลื่นในโครงสร้างของกาลอวกาศจะแผ่พลังงานออกจากหายนะดังกล่าว ระลอกคลื่นนั้นบอบบาง เมื่อพวกเขามาถึงโลก บางตัวบีบอัดกาลอวกาศได้น้อยกว่าหนึ่งหมื่นหนึ่งหมื่นของความกว้างของโปรตอน
พวกเขาตรวจพบได้อย่างไร?
ในการระบุสัญญาณ LIGO ใช้กระจกพิเศษเพื่อแยกลำแสงเลเซอร์แล้วส่งลำแสงลงมาที่แขนยาว 4 กิโลเมตรสองตัว ทำมุม 90 องศาให้กันและกัน หลังจากสะท้อนกลับไปกลับมา 400 ครั้ง โดยเปลี่ยนการเดินทางของลำแสงแต่ละลำเป็นระยะทางไปกลับ 1,600 กิโลเมตร แสงจะรวมตัวกันใกล้แหล่งกำเนิดแสงอีกครั้ง
เรากำลังมองหาคลื่นความโน้มถ่วงอีกอย่างไร?
LIGO ไม่ใช่เกมเดียวในเมืองเมื่อพูดถึงการไล่ล่าคลื่นความโน้มถ่วง ต่อไปนี้เป็นโครงการที่กำลังดำเนินการและในอนาคตอีกสองสามโครงการ
อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ภาคพื้นดิน
เครื่องตรวจจับอื่น ๆ ที่คล้ายกับ LIGO มีอยู่ในยุโรป เครื่องตรวจจับราศีกันย์ใกล้เมืองปิซา ประเทศอิตาลี กำลังอยู่ในระหว่างการปรับปรุง และจะร่วมมือกับ LIGO ในปลายปีนี้ GEO600ซึ่งอยู่ใกล้กับฮันโนเวอร์ ประเทศเยอรมนี เป็นเครื่องวัดระยะทางไกลเพียงเครื่องเดียวที่ทำงานในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ขณะที่ชาวราศีกันย์และ LIGO ได้รับการบูรณะ เครื่องตรวจจับ LIGO ตัวที่สาม เครื่องตรวจจับนี้ในอินเดีย มีกำหนดจะเข้าร่วมการค้นหาในปี 2019
อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบอวกาศ
ในอวกาศไม่มีใครได้ยินคุณกรีดร้อง คุณไม่จำเป็นต้องจัดการกับปรากฏการณ์ที่เกิดจากโลกที่น่ารำคาญเช่นแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหว นักวิจัยได้ล็อบบี้องค์การอวกาศยุโรปเพื่อวางเครื่องตรวจจับแบบ LIGO ในอวกาศ – เสาอากาศอวกาศเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่พัฒนา ขึ้น – ในช่วงปี 2030 ในความคาดหมายของ eLISA นั้น ESA เพิ่งเปิดตัว LISA Pathfinderซึ่งเป็นภารกิจในการทดสอบเทคโนโลยีที่จำเป็นสำหรับเครื่องตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงบนอวกาศที่เต็มเปี่ยม
อาร์เรย์ไทม์มิ่งของพัลซาร์
นักวิจัยจึงหันมาใช้พัลซาร์เพื่อหาคลื่นความถี่ต่ำที่ชนกันของหลุมดำมวลมหาศาล ดาวนิวตรอนที่หมุนเร็วเหล่านี้ (แกนที่ทิ้งไว้หลังจากดาวมวลสูงระเบิด) จะส่งคลื่นวิทยุออกมาอย่างต่อเนื่อง เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงบีบและขยายช่องว่างระหว่างโลกกับพัลซาร์ จังหวะนั้นก็ดูเหมือนจะเร็วขึ้นและลดลง สามโครงการ — Parkes Pulsar Timing ArrayในออสเตรเลียNANOGravในอเมริกาเหนือ และEuropean Pulsar Timing Arrayในยุโรป — กำลังตรวจสอบพัลซาร์หลายสิบตัวสำหรับการเปลี่ยนแปลงจังหวะที่สามารถเปิดเผยการชนกันไม่เพียงเพียงครั้งเดียวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเสียงอึกทึกของหลุมดำขนาดมหึมาที่กระทบกันทั่ว จักรวาล.
โพลาไรซ์พื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล
คลื่นความโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาหลังจากบิ๊กแบงจะทิ้งรอยไว้บนพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาลหรือ CMB การแผ่รังสีนี้เต็มจักรวาลและเป็นอนุสรณ์ตั้งแต่วินาทีแรกที่แสงสามารถเดินทางผ่านจักรวาลได้อย่างอิสระเป็นครั้งแรก ประมาณ 380,000 ปีหลังจากกำเนิด CMB รักษาพื้นที่ที่ยืดออกและบีบตัวตามการขยายตัวอย่างมหัศจรรย์ซึ่งนับเป็นล้านล้านในล้านล้านของหนึ่งล้านล้านวินาทีหลังจากบิ๊กแบง กล้องโทรทรรศน์จำนวนมากกำลังค้นหาลายเซ็นนี้โดยมองหารูปแบบเฉพาะในการที่คลื่นแสง CMB เรียงตัวกัน มันไม่ง่ายเลย โครงการBICEP2เข้าใจผิดว่าฝุ่นในทางช้างเผือกเป็นเหมืองหินในจักรวาล
เราเรียนรู้อะไรได้บ้างจากคลื่นความโน้มถ่วง
ความสำเร็จของ LIGO คล้ายกับกาลิเลโอหันกล้องดูดาวขึ้นสู่ท้องฟ้า ก่อนหน้านั้นเรารู้เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับดวงดาวและดาวเคราะห์ เราไม่ได้ตระหนักว่ามีดาราจักรอื่นและไม่มีแนวคิดเกี่ยวกับความใหญ่โตของจักรวาล คลื่นความโน้มถ่วงเป็นวิธีใหม่ในการมองเห็นจักรวาล สิ่งเหล่านี้เป็นการยืนยันที่น่าทึ่งของสัมพัทธภาพทั่วไป และจะเปิดเผยการระเบิดและการชนกันของหายนะทั่วทั้งจักรวาล แต่เช่นเดียวกับกล้องโทรทรรศน์ของกาลิเลโอ สิ่งที่คลื่นความโน้มถ่วงสามารถสอนเราได้ส่วนใหญ่นั้นอาจจะยังไม่มีใครจินตนาการได้
เมื่อเทียบกับความไม่ลงรอยกันในอดีตเกี่ยวกับค่าคงที่ฮับเบิล ความคลาดเคลื่อนใหม่ค่อนข้างน้อย นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Katherine Freese จากมหาวิทยาลัยมิชิแกนใน Ann Arbor กล่าวว่า “ในอดีต ผู้คนโต้เถียงกันอย่างรุนแรงว่าค่าคงที่ของฮับเบิลเป็น 50 หรือ 100 โดยที่ทั้งสองค่ายไม่ยอมรับแม้แต่นิ้วเดียว ความแตกต่างในปัจจุบันระหว่างการวัดทั้งสองคือ “เล็กตามมาตรฐานของสมัยก่อน”
การวัดทางจักรวาลวิทยาเพิ่งมีความแม่นยำเพียงพอสำหรับความคลาดเคลื่อนไม่กี่เปอร์เซ็นต์ที่จะเป็นปัญหา Kamionkowski กล่าวว่า “มันยากที่จะอธิบายได้จริง ๆ แล้วเป็นเครื่องบ่งชี้ว่าเรามาไกลแค่ไหนในด้านจักรวาลวิทยา” “ยี่สิบห้าปีที่แล้ว คุณจะโบกมือและแต่งหน้า”
