พื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วง (GWB): ความก้าวหน้าในการตรวจจับโดยตรง

คลื่นความโน้มถ่วง ถูกตรวจพบโดยตรงเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2015 หลังจากการทำนายนานหนึ่งศตวรรษโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในปี พ.ศ. 1916 แต่ความถี่ต่ำต่อเนื่องกัน แรงโน้มถ่วง-wave Background (GWB) ที่คิดว่าจะมีให้เห็นตลอดทั้ง จักรวาล ยังไม่ได้รับการตรวจพบโดยตรงจนถึงขณะนี้ นักวิจัยจากหอดูดาวนาโนเฮิรตซ์อเมริกาเหนือ คลื่นความโน้มถ่วง (NANOGrav) ได้รายงานเมื่อเร็ว ๆ นี้การตรวจจับสัญญาณความถี่ต่ำที่อาจเป็น 'พื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วง (GWB)'   

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ไอน์สไตน์เสนอในปี 1916 ทำนายว่าเหตุการณ์สำคัญๆ ของจักรวาล เช่น ซุปเปอร์โนวาหรือการรวมตัวของ หลุมดำ ควรผลิต คลื่นโน้มถ่วง ที่เผยแพร่ผ่านทาง จักรวาล- โลกควรจะจมอยู่ใต้น้ำ คลื่นโน้มถ่วง จากทุกทิศทุกทางตลอดเวลา แต่สิ่งเหล่านี้ไม่ถูกตรวจพบเพราะพวกมันจะอ่อนแอลงอย่างมากเมื่อมาถึงโลก ใช้เวลาประมาณหนึ่งศตวรรษในการตรวจจับระลอกคลื่นโน้มถ่วงโดยตรง เมื่อในปี 2015 ทีมงาน LIGO-Virgo ประสบความสำเร็จในการตรวจจับ คลื่นโน้มถ่วง เกิดจากการรวมตัวกันของสองสิ่ง หลุมดำ ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 1.3 พันล้านปีแสง ⁽¹⁾. นอกจากนี้ยังหมายความว่าระลอกคลื่นที่ตรวจพบนั้นเป็นผู้ถือข้อมูลเกี่ยวกับเหตุการณ์ในจักรวาลที่เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 1.3 พันล้านปีก่อน  

นับตั้งแต่ตรวจพบครั้งแรกในปี 2015 มี . จำนวนมาก ระลอกคลื่นความโน้มถ่วง ได้รับการบันทึกไว้จนถึงปัจจุบัน ส่วนใหญ่เกิดจากการควบรวมกิจการของทั้งสอง หลุมดำมีเพียงไม่กี่ดวงที่เกิดจากการชนกันของดาวนิวตรอนสองดวง ⁽²⁾- ตรวจพบทั้งหมด คลื่นโน้มถ่วง จนถึงขณะนี้เป็นตอนที่เกิดจากคู่ไบนารีของ หลุมดำ หรือดาวนิวตรอนหมุนวนและรวมตัวกันหรือชนกัน ⁽³⁾ และมีความถี่สูง ความยาวคลื่นสั้น (ในช่วงมิลลิวินาที)   

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีความเป็นไปได้ที่จะมีแหล่งที่มาจำนวนมาก คลื่นโน้มถ่วง ใน จักรวาล ด้วยเหตุนี้มากมาย คลื่นโน้มถ่วง ร่วมกันจากทั่วทุกมุมโลก จักรวาล อาจเคลื่อนผ่านพื้นโลกอย่างต่อเนื่องตลอดเวลาจนเกิดเป็นพื้นหลังหรือเสียงรบกวน ซึ่งควรจะต่อเนื่อง สุ่ม และเป็นคลื่นขนาดเล็กที่มีความถี่ต่ำ คาดว่าบางส่วนอาจมีต้นกำเนิดมาจากบิ๊กแบงด้วยซ้ำ เรียกว่า แรงโน้มถ่วง-พื้นหลังคลื่น (GWB) ยังไม่ได้รับการตรวจพบจนถึงตอนนี้ ⁽³⁾.  

แต่เราอาจจวนจะถึงความก้าวหน้า - นักวิจัยจากหอดูดาวนาโนเฮิรตซ์ในอเมริกาเหนือ คลื่นความโน้มถ่วง (NANOGrav) ได้รายงานการตรวจจับสัญญาณความถี่ต่ำที่อาจเป็น 'พื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วง (GWB) ^(4,5,6).  

ต่างจากทีม LIGO-ราศีกันย์ที่ตรวจพบ คลื่นความโน้มถ่วง จากแต่ละคู่ของ หลุมดำ, ทีมงาน NANOGrav ได้มองหาความคงทน, สัญญาณรบกวนเช่น 'รวมกัน' คลื่นความโน้มถ่วง สร้างขึ้นในช่วงเวลาอันยาวนานนับไม่ถ้วน หลุมดำ ใน จักรวาล- มุ่งเน้นไปที่ 'ความยาวคลื่นที่ยาวมาก' คลื่นความโน้มถ่วง ที่อีกปลายหนึ่งของ 'สเปกตรัมคลื่นความโน้มถ่วง'

ต่างจากแสงและการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ คลื่นความโน้มถ่วงไม่สามารถสังเกตได้โดยตรงด้วยกล้องโทรทรรศน์  

ทีมงาน NANOGrav เลือก มิลลิวินาที พัลซาร์ (MSP) ที่หมุนเร็วมากและมีความเสถียรในระยะยาว มีรูปแบบแสงที่คงที่จากพัลเซอร์เหล่านี้ ซึ่งควรถูกเปลี่ยนแปลงโดยคลื่นความโน้มถ่วง แนวคิดคือการสังเกตและติดตามชุดพัลซาร์มิลลิวินาทีที่มีความเสถียรเป็นพิเศษ (MSP) สำหรับการเปลี่ยนแปลงที่สัมพันธ์กันในช่วงเวลาของการมาถึงของสัญญาณมายังโลก ดังนั้นจึงทำให้เกิด "กาแล็กซี-ขนาด” เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงภายในตัวเราเอง กาแล็กซี- ทีมงานสร้างลำดับเวลาของพัลซาร์โดยการศึกษาพัลซาร์ดังกล่าว 47 ตัว หอดูดาวอาเรซีโบและกล้องโทรทรรศน์กรีนแบงค์ วิทยุ กล้องส่องทางไกลที่ใช้ในการวัด   

ชุดข้อมูลที่ได้รับจนถึงขณะนี้ประกอบด้วย 47 MSP และการสังเกตการณ์มากกว่า 12.5 ปี จากข้อมูลนี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะพิสูจน์การตรวจหา GWB โดยตรงโดยเด็ดขาดแม้ว่าสัญญาณความถี่ต่ำที่ตรวจพบจะบ่งชี้อย่างมากว่า บางที ขั้นตอนต่อไปอาจเป็นการรวมพัลซาร์ไว้ในอาร์เรย์มากขึ้นและศึกษาเป็นระยะเวลานานขึ้นเพื่อเพิ่มความไว  

เพื่อศึกษาถึง จักรวาลนักวิทยาศาสตร์พึ่งพารังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว เช่น แสง รังสีเอกซ์ วิทยุ คลื่น ฯลฯ เนื่องจากไม่เกี่ยวข้องกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเลย การตรวจจับความโน้มถ่วงในปี 2015 จึงเปิดโอกาสใหม่สำหรับนักวิทยาศาสตร์ในการศึกษาเทห์ฟากฟ้าและทำความเข้าใจ จักรวาล โดยเฉพาะเหตุการณ์ท้องฟ้าที่นักดาราศาสตร์แม่เหล็กไฟฟ้ามองไม่เห็น นอกจากนี้ ไม่เหมือนกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นความโน้มถ่วงไม่มีปฏิกิริยากับสสาร ดังนั้นการเดินทางจึงแทบไม่มีข้อจำกัดใดๆ ทั้งสิ้น โดยนำข้อมูลเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดและแหล่งที่มาโดยไม่มีการบิดเบือนใดๆ⁽³⁾

การตรวจจับพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วง (GWB) จะช่วยเพิ่มโอกาสให้กว้างขึ้น อาจเป็นไปได้ที่จะตรวจจับคลื่นที่เกิดจากบิ๊กแบงซึ่งอาจช่วยให้เราเข้าใจถึงต้นกำเนิดได้ จักรวาล ในทางที่ดีขึ้น

***

อ้างอิง:  

1. Castelvecchi D. และ Witze A.,2016. ในที่สุดคลื่นความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ก็ถูกค้นพบ ข่าวธรรมชาติ 11 กุมภาพันธ์ 2016 ดอย: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. เหตุการณ์คลื่นโน้มถ่วง 50 เหตุการณ์เปิดเผยเกี่ยวกับจักรวาลอย่างไร ข่าวธรรมชาติ เผยแพร่ 30 ตุลาคม 2020 ดอย: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021 แหล่งที่มาและประเภทของคลื่นความโน้มถ่วง ออนไลน์ได้ที่ https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources เข้าถึงเมื่อ 12 มกราคม 2021. 

4. NANOGrav Collaboration, 2021 NANOGrav ค้นหา 'คำแนะนำแรก' ที่เป็นไปได้ของพื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำ ออนไลน์ได้ที่ http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html เข้าถึงเมื่อ 12 มกราคม 2021 

5. NANOGrav Collaboration 2021 แถลงข่าว – ค้นหาพื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วงใน 12.5 ปีของข้อมูล NANOGrav 11 มกราคม 2021 ออนไลน์ได้ที่ http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. ชุดข้อมูล NANOGrav 12.5 ปี: ค้นหาพื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วงไอโซโทรปิก The Astrophysical Journal Letters เล่ม 905 ฉบับที่ 2 DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***